Темновая фаза фотосинтеза где происходит

Темновая фаза фотосинтеза

Темновая фаза фотосинтеза – это комплекс ферментативных реакций, во время которой происходит восстановление поглощенного углекислого газа за счет продуктов световой фазы (АТФ и НАДФН). Различают несколько циклов восстановления СО2.

Цикл Кальвина. Этот способ ассимиляции СО2 является основным и присущ всем растениям. Он был расшифрован американскими учеными во главе с М. Кальвином. В 1961 году М. Кальвину за установление последовательности реакций в этом цикле и была присуждена Нобелевская премия.

Этот цикл начинается с присоединения СО2 к акцептору – пятиуглеродному сахару рибулозо-1,5-дифосфату (РДФ). Присоединение СО2 к тому или ионному веществу называется карбоксилированием, а фермент катализирующий такую реакцию – карбоксилазой.

В данной реакции карбоксилирование происходит с участием фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы (РДФ-карбоксилаза). Это самый распространенный в мире фермент.

Продукт реакции, содержащий 6 атомов углерода, в присутствии воды сразу распадается на две молекулы 3-фосфоглицириновой кислоты (3-ФГК):

С данной реакции и начинается цикл Кальвина. ФГК и является, по современным взглядам, первичным продуктом ассимиляции углерода.

Для дальнейших превращений ФГК необходимы вещества световой фазы фотосинтеза: АТФ и НАДФН. Сначала 3-ФГК фосфорилируется при участии АТФ и образуется 1,3-дифосфоглицириновая кислота. Реакция катализируется ферментом фосфоглицераткиназой:

Затем происходит восстановление за счет НАДФН и образуется фосфоглицириновый альдегид ФГА:

Суммарный результат второй стадии: восстановление карбоксильной группы кислоты (–СООН) до альдегидной (–СНО).

Процесс превращения катализируется дегидрогеназой фосфоглициринового альдегида. Дальнейшее превращение фосфоглициринового альдегида может происходить 4 путями.

ФГА частично с помощью триозофосфатизомеразы превращается в фосфодиоксиацетон (ФДА):

Это первый путь превращения ФГА.

Таким образом, в клетку поступают две найпростейшие формы сахаров: альдоза (ФГА) и кетоза (ФДА). Это трехуглеродные сахара (триозосахара) с присоединенной к ним фосфатной группой содержат больше химической энергии, чем ФГК. Это первые углеводы, которые образуются при фотосинтезе.

С помощью альдолазы фосфодиоксиацетон (ФДА) соединяется с другой молекулой ФГА и образуется молекула фруктозо-1,6-дифосфата (ФДФ).

Это второй путь превращения ФГА.

Фруктозо-1,6-дифосфат дефосфорилируется и превращается во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф), что сопровождается накоплением в среде неорганического фосфата. Фруктозо-6-фосфат в дальнейшем может выйти из цикла и использоваться для синтеза запасных форм углеводов: сахарозы, крахмала, других полисахаридов.

Однако ФГА (третий путь) может реагировать с эквимолярным количеством Ф-6-Ф, в результате образуются равные количества ксилулозо-5-фосфата и эритрозо-4-фосфата (транскетолаза). Затем эритрозо-4-фосфат реагирует с равным количеством ФДА и образуется седагептулозо-1,7-дифосфат (альдолаза), которая фосфорилируется до седагептулозо-7-фосфата с участием седагептулозодифосфатазы.

Четвертый путь превращения ФГА связан с его реакцией с седагептулозо-7-фосфатом с образованием равных (эквимолярных) количеств рибозо-5-фосфата и ксилулозо-5-фосфата. Ксилулозо-5-фосфат эпимиризуется, а рибозо-5-фосфат изомерезуется до рибулозо-5-фосфата, последняя фосфорилируется за счет АТФ и образуется рибулозо-1,5-дифосфат – первичное соединение цикла Кальвина (акцептор СО2). В этих реакциях тратится еще три молекулы АТФ.

Из приведенных реакций цикла Кальвина видно, что фотосинтез, являясь процессом запасания энергии, тем не менее, для своего существования требует затраты энергии.

В цикле Кальвина образование фруктозо-6-фосфата можно представить в виде следующего суммарного выражения:

6СО2 + 12НАДФН + 12Н + + 18АТФ + 11Н2О →

фруктозо-6-фосфат + 12НАДФ + + 18АДФ + 17Фн

18 молекул АТФ запасают около 140 ккал и 12 НАДФН –

615 ккал. Следовательно, поглощено около 755 ккал энергии. При этом в гексозах запасается около 670 ккал/моль. При таком балансе КПД составляет около 90 %.

10 % энергии растрачивается на поддержание цикла.

АТФ и НАДФН, которые образуются в световой стадии и используются на восстановление СО2, получили название ассимиляционной силы.

Цикл Кальвина подразделяют на три фазы:

– карбоксилирующую РДФ + СО2 → 2ФГК;

– восстановительную ФГК → ФГА;

– регинирующую ФГА → РДФ.

Каждая шестая молекула ФГА выходит из цикла и используется на синтез сахарозы или полисахаров, тогда как остальные 5 молекул через приведенные выше промежуточные реакции преобразуются в три молекулы рибулозо-1,5-дифосфата. Так как первичный продукт цикла Кальвина – ФГК – содержит три атома углерода, то этот цикл получил название С3-цикла ассимиляции СО2. Упрощенную схему цикла можно представить в виде (рис.2.18):

Рис. 2.18. Упрощенная схема цикла Кальвина

Последовательность реакций на пути преобразования СО2 в сахар удалось выявить благодаря использованию радиоактивного углерода 14 С и хромотографии на бумаге.

Описанный цикл восстановления СО2 до сахаров локализован в хлоропластах, так же как и биосинтез крахмала из образованных в них гексозофосфатов. «Главный» же по количеству сахар, запасенный в растительной клетке – сахароза, – синтезируется уже вне хлоропласта: в слое цитоплазмы, прилегающем к наружной мембране этой органеллы. Сахароза синтезируется из Ф-6-Ф, образованной из ФГА и ФДА, которые в отличие от других сахаров цикла (пентоз и гексоз) легко транспортируются через мембраны хлоропластов.

Скорость цикла Кальвина зависит не только от количества образованных в световой стадии АТФ и НАДФН, но и от их соотношений. Только соотношение 3АТФ и 2НАДФН обеспечивает активное восстановление углерода и запасание энергии.

Когда степень сопряжения работы ЭТЦ фотосинтеза с фотофосфорилированием мала, тогда интенсивность фотосинтеза, в первую очередь, может снизиться за счет уменьшения количества рибулозо-1,5-дифосфата, так как в этом случае будет лимитироваться фосфорилирование рибулоза-5-фосфата.

Кроме этого, в цикле при недостатке АТФ и НАДФН уменьшается возможность восстановления ФГК до триоз и поэтому одновременно со снижением интенсивности фотосинтеза среди ассимилятов (продуктов фотосинтеза) клетки увеличивается часть неуглеродных соединений. Такое явление характерно, например, для растений, выращенных при слабом освещении.

Фотосинтез — это преобразование энергии света в энергию химических связей органических соединений.

Фотосинтез характерен для растений, в том числе всех водорослей, ряда прокариот, в том числе цианобактерий, некоторых одноклеточных эукариот.

В большинстве случаев при фотосинтезе в качестве побочного продукта образуется кислород (O2). Однако это не всегда так, поскольку существует несколько разных путей фотосинтеза. В случае выделения кислорода его источником является вода, от которой на нужды фотосинтеза отщепляются атомы водорода.

Фотосинтез состоит из множества реакций, в которых участвуют различные пигменты, ферменты, коферменты и др. Основными пигментами являются хлорофиллы, кроме них — каротиноиды и фикобилины.

В природе распространены два пути фотосинтеза растений: C3 и С4. У других организмов есть своя специфика реакций. Все, что объединяет эти разные процессы под термином «фотосинтез», – во всех них в общей сложности происходит преобразование энергии фотонов в химическую связь. Для сравнения: при хемосинтезе происходит преобразование энергии химической связи одних соединений (неорганических) в другие — органические.

Выделяют две фазы фотосинтеза — световую и темновую. Первая зависит от светового излучения (hν), которое необходимо для протекания реакций. Темновая фаза является светонезависимой.

У растений фотосинтез протекает в хлоропластах. В результате всех реакций образуются первичные органические вещества, из которых потом синтезируются углеводы, аминокислоты, жирные кислоты и др. Обычно суммарную реакцию фотосинтеза пишут в отношении глюкозы — наиболее распространенного продукта фотосинтеза:

Атомы кислорода, входящие в молекулу O2, берутся не из углекислого газа, а из воды. Углекислый газ – источник углерода, что более важно. Благодаря его связыванию у растений появляется возможность синтеза органики.

Представленная выше химическая реакция есть обобщенная и суммарная. Она далека от сути процесса. Так глюкоза не образуется из шести отдельных молекул углекислоты. Связывание CO2 происходит по одной молекуле, которая сначала присоединяется к уже существующему пятиуглеродному сахару.

Для прокариот характерны свои особенности фотосинтеза. Так у бактерий главный пигмент — бактериохлорофилл, и не выделяется кислород, так как водород берется не из воды, а часто из сероводорода или других веществ. У сине-зеленых водорослей основным пигментом является хлорофилл, и при фотосинтезе выделяется кислород.

Световая фаза фотосинтеза

В световой фазе фотосинтеза происходит синтез АТФ и НАДФ·H2 за счет лучистой энергии. Это происходит на тилакоидах хлоропластов, где пигменты и ферменты образуют сложные комплексы для функционирования электрохимических цепей, по которым передаются электроны и отчасти протоны водорода.

Электроны в конечном итоге оказываются у кофермента НАДФ, который, заряжаясь отрицательно, притягивает к себе часть протонов и превращается в НАДФ·H2. Также накопление протонов по одну сторону тилакоидной мембраны и электронов по другую создает электрохимический градиент, потенциал которого используется ферментом АТФ-синтетазой для синтеза АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.

Главными пигментами фотосинтеза являются различные хлорофиллы. Их молекулы улавливают излучение определенных, отчасти разных спектров света. При этом некоторые электроны молекул хлорофилла переходят на более высокий энергетический уровень. Это неустойчивое состояние, и по-идее электроны путем того же излучения должны отдать в пространство полученную из вне энергию и вернуться на прежний уровень. Однако в фотосинтезирующих клетках возбужденные электроны захватываются акцепторами и с постепенным уменьшением своей энергии передаются по цепи переносчиков.

На мембранах тилакоидов существуют два типа фотосистем, испускающих электроны при действия света. Фотосистемы представляют собой сложный комплекс большей частью хлорофильных пигментов с реакционным центром, от которого и отрываются электроны. В фотосистеме солнечный свет ловит множество молекул, но вся энергия собирается в реакционном центре.

Электроны фотосистемы I, пройдя по цепи переносчиков, восстанавливают НАДФ.

Энергия электронов, оторвавшихся от фотосистемы II, используется для синтеза АТФ. А сами электроны фотосистемы II заполняют электронные дырки фотосистемы I.

Дырки второй фотосистемы заполняются электронами, образующимися в результате фотолиза воды. Фотолиз также происходит при участии света и заключается в разложении H2O на протоны, электроны и кислород. Именно в результате фотолиза воды образуется свободный кислород. Протоны участвуют в создании электрохимического градиента и восстановлении НАДФ. Электроны получает хлорофилл фотосистемы II.

Примерное суммарное уравнение световой фазы фотосинтеза:

H2O + НАДФ + 2АДФ + 2Ф → ½O2 + НАДФ · H2 + 2АТФ

Циклический транспорт электронов

Выше описана так называемый нецикличная световая фаза фотосинтеза. Есть еще циклический транспорт электронов, когда восстановления НАДФ не происходит. При этом электроны от фотосистемы I уходят на цепь переносчиков, где идет синтез АТФ. То есть эта электрон-транспортная цепь получает электроны из фотосистемы I, а не II. Первая фотосистема как бы реализует цикл: в нее возвращаются ей же испускаемые электроны. По дороге они тратят часть своей энергии на синтез АТФ.

Фотофосфорилирование и окислительное фосфорилирование

Световую фазу фотосинтеза можно сравнить с этапом клеточного дыхания — окислительным фосфорилированием, которое протекает на кристах митохондрий. Там тоже происходит синтез АТФ за счет передачи электронов и протонов по цепи переносчиков. Однако в случае фотосинтеза энергия запасается в АТФ не для нужд клетки, а в основном для потребностей темновой фазы фотосинтеза. И если при дыхании первоначальным источником энергии служат органические вещества, то при фотосинтезе – солнечный свет. Синтез АТФ при фотосинтезе называется фотофосфорилированием, а не окислительным фосфорилированием.

Темновая фаза фотосинтеза

Впервые темновую фазу фотосинтеза подробно изучили Кальвин, Бенсон, Бэссем. Открытый ими цикл реакций в последствии был назван циклом Кальвина, или C3-фотосинтезом. У определенных групп растений наблюдается видоизмененный путь фотосинтеза – C4, также называемый циклом Хэтча-Слэка.

В темновых реакциях фотосинтеза происходит фиксация CO2. Темновая фаза протекает в строме хлоропласта.

Восстановление CO2 происходит за счет энергии АТФ и восстановительной силы НАДФ·H2, образующихся в световых реакциях. Без них фиксации углерода не происходит. Поэтому хотя темновая фаза напрямую не зависит от света, но обычно также протекает на свету.

Цикл Кальвина

Первая реакция темновой фазы – присоединение CO2 (карбоксилирование) к 1,5-рибулезобифосфату (рибулезо-1,5-дифосфат) – РиБФ. Последний представляет собой дважды фосфорилированную рибозу. Данную реакцию катализирует фермент рибулезо-1,5-дифосфаткарбоксилаза, также называемый рубиско.

В результате карбоксилирования образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое в результате гидролиза распадается на две трехуглеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК) – первый продукт фотосинтеза. ФГК также называют фосфоглицератом.

ФГК содержит три атома углерода, один из которых входит в состав кислотной карбоксильной группы (-COOH):

Из ФГК образуется трехуглеродный сахар (глицеральдегидфосфат) триозофосфат (ТФ), включающий уже альдегидную группу (-CHO):

ФГК (3-кислота) → ТФ (3-сахар)

На данную реакцию затрачивается энергия АТФ и восстановительная сила НАДФ · H2. ТФ — первый углевод фотосинтеза.

После этого большая часть триозофосфата затрачивается на регенерацию рибулозобифосфата (РиБФ), который снова используется для связывания CO2. Регенерация включает в себя ряд идущих с затратой АТФ реакций, в которых участвуют сахарофосфаты с количеством атомов углерода от 3 до 7.

В таком круговороте РиБФ и заключается цикл Кальвина.

Из цикла Кальвина выходит меньшая часть образовавшегося в нем ТФ. В перерасчете на 6 связанных молекул углекислого газа выход составляет 2 молекулы триозофосфата. Суммарная реакция цикла с входными и выходными продуктами:

При этом в связывании участвую 6 молекул РиБФ и образуется 12 молекул ФГК, которые превращаются в 12 ТФ, из которых 10 молекул остаются в цикле и преобразуются в 6 молекул РиБФ. Поскольку ТФ — это трехуглеродный сахар, а РиБФ — пятиуглеродный, то в отношении атомов углерода имеем: 10 * 3 = 6 * 5. Количество атомов углерода, обеспечивающих цикл не изменяется, весь необходимый РиБФ регенерируется. А шесть вошедших в цикл молекул углекислоты затрачиваются на образование двух выходящих из цикла молекул триозофосфата.

На цикл Кальвина в расчете на 6 связанных молекул CO2 затрачивается 18 молекул АТФ и 12 молекул НАДФ · H2, которые были синтезированы в реакциях световой фазы фотосинтеза.

Расчет ведется на две выходящие из цикла молекулы триозофосфата, так как образующаяся в последствии молекула глюкозы, включает 6 атомов углерода.

Триозофосфат (ТФ) — конечный продукт цикла Кальвина, но его сложно назвать конечным продуктом фотосинтеза, так как он почти не накапливается, а, вступая в реакции с другими веществами, превращается в глюкозу, сахарозу, крахмал, жиры, жирные кислоты, аминокислоты. Кроме ТФ важную роль играет ФГК. Однако подобные реакции происходят не только у фотосинтезирующих организмов. В этом смысле темновая фаза фотосинтеза – это то же самое, что цикл Кальвина.

Из ФГК путем ступенчатого ферментативного катализа образуется шестиуглеродный сахар фруктозо-6-фосфат, который превращается в глюкозу. В растениях глюкоза может полимеризоваться в крахмал и целлюлозу. Синтез углеводов похож на процесс обратный гликолизу.

Фотодыхание

Кислород подавляет фотосинтез. Чем больше O2 в окружающей среде, тем менее эффективен процесс связывания CO2. Дело в том, что фермент рибулозобифосфат-карбоксилаза (рубиско) может реагировать не только с углекислым газом, но и кислородом. В этом случае темновые реакции несколько иные.

Содержащая пять атомов углерода молекула рибулозобифосфата реагирует уже не с CO2, а с O2. В результате чего образуются по одной молекуле фосфогликолата (C2) и фосфоглицериновой кислоты (C3), а не две ФГК как обычно.

Фосфогликолат — это фосфогликолевая кислота. От нее сразу отщепляется фосфатная группа, и она превращается в гликолевую кислоту (гликолат). Для его «утилизации» снова нужен кислород. Поэтому чем больше в атмосфере кислорода, тем больше он будет стимулировать фотодыхание и тем больше растению будет требоваться кислорода, чтобы избавиться от продуктов реакции.

Фотодыхание — это зависимое от света потребление кислорода и выделение углекислого газа. То есть обмен газов происходит как при дыхании, но протекает в хлоропластах и зависит от светового излучения. От света фотодыхание зависит лишь потому, что рибулозобифосфат образуется только при фотосинтезе.

При фотодыхании происходит возврат атомов углерода из гликолата в цикл Кальвина в виде фосфоглицериновой кислоты (фосфоглицерата).

2 Гликолат (С2) → 2 Глиоксилат (С2) →2 Глицин (C2) — CO2 → Серин (C3) →Гидроксипируват (C3) → Глицерат (C3) → ФГК (C3)

Как видно, возврат происходит не полный, так как один атом углерода теряется при превращении двух молекул глицина в одну молекулу аминокислоты серина, при этом выделяется углекислый газ.

Кислород необходим на стадиях превращения гликолата в глиоксилат и глицина в серин.

Превращения гликолата в глиоксилат, а затем в глицин происходят в пероксисомах, синтез серина в митохондриях. Серин снова поступает в пероксисомы, где из него сначала получается гидрооксипируват, а затем глицерат. Глицерат уже поступает в хлоропласты, где из него синтезируется ФГК.

Фотодыхание характерно в основном для растений с C3-типом фотосинтеза. Его можно считать вредным, так как энергия бесполезно тратится на превращения гликолата в ФГК. Видимо фотодыхание возникло из-за того, что древние растения были не готовы к большому количеству кислорода в атмосфере. Изначально их эволюция шла в атмосфере богатой углекислым газом, и именно он в основном захватывал реакционный центр фермента рубиско.

C4-фотосинтез, или цикл Хэтча-Слэка

Если при C3-фотосинтезе первым продуктом темновой фазы является фосфоглицериновая кислота, включающая три атома углерода, то при C4-пути первыми продуктами являются кислоты, содержащие четыре атома углерода: яблочная, щавелевоуксусная, аспарагиновая.

С4-фотосинтез наблюдается у многих тропических растений, например, сахарного тростника, кукурузы.

С4-растения эффективнее поглощают оксид углерода, у них почти не выражено фотодыхание.

Растения, в которых темновая фаза фотосинтеза протекает по C4-пути, имеют особое строение листа. В нем проводящие пучки окружены двойным слоем клеток. Внутренний слой — обкладка проводящего пучка. Наружный слой — клетки мезофилла. Хлоропласты клеток слоев отличаются друг от друга.

Для мезофильных хлоропласт характерны крупные граны, высокая активность фотосистем, отсутствие фермента РиБФ-карбоксилазы (рубиско) и крахмала. То есть хлоропласты этих клеток адаптированы преимущественно для световой фазы фотосинтеза.

В хлоропластах клеток проводящего пучка граны почти не развиты, зато высока концентрация РиБФ-карбоксилазы. Эти хлоропласты адаптированы для темновой фазы фотосинтеза.

Углекислый газ сначала попадает в клетки мезофилла, связывается с органическими кислотами, в таком виде транспортируется в клетки обкладки, освобождается и далее связывается также, как у C3-растений. То есть C4-путь дополняет, а не заменяет C3.

В мезофилле CO2 присоединяется к фосфоенолпирувату (ФЕП) с образованием оксалоацетата (кислота), включающего четыре атома углерода:

Реакция происходит при участии фермента ФЕП-карбоксилазы, обладающего более высоким сродством к CO2, чем рубиско. К тому же ФЕП-карбоксилаза не взаимодействует с кислородом, а значит не затрачивается на фотодыхание. Таким образом, преимущество C4-фотосинтеза заключается в более эффективной фиксации углекислоты, увеличению ее концентрации в клетках обкладки и следовательно более эффективной работе РиБФ-карбоксилазы, которая почти не расходуется на фотодыхание.

Оксалоацетат превращается в 4-х углеродную дикарбоновую кислоту (малат или аспартат), которая транспортируется в хлоропласты клеток обкладки проводящих пучков. Здесь кислота декарбоксилируется (отнятие CO2), окисляется (отнятие водорода) и превращается в пируват. Водород восстанавливает НАДФ. Пируват возвращается в мезофилл, где из него регенерируется ФЕП с затратой АТФ.

Оторванный CO2 в хлоропластах клеток обкладки уходит на обычный C3-путь темновой фазы фотосинтеза, т. е. в цикл Кальвина.

Фотосинтез по пути Хэтча-Слэка требует больше энергозатрат.

Считается, что C4-путь возник в эволюции позже C3 и во многом является приспособлением против фотодыхания.

Темновая фаза фотосинтеза где происходит

Темновая фаза. Происходит в строме хлоропласта. Для её реакций нужна энергия света, поэтому они происходят не только на свету, но и в темноте. Реакции темновой фазы представляют цепочку последовательных преобразований углекислого газа (из воздуха), приводящую к образованию глюкозы и других органических веществ. Сначала происходит фиксация СО2 , акцептором является сахар рибулозобифосфат, катализируется рибулозобифосфаткарбоксилазой. В результате карбоксилирования рибулозобифосфата образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое сразу же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты. Затем происходит цикл реакций, в которых через ряд промежуточных продуктов ФГК преобразуется в глюкозу. Используется энергия АТФ и и НАДФ·Н2 образованых в световую фазу. (Цикл Кальвина).

23. Реакции ассимиляции со2 в темновой фазе фотосинтеза.

Цикл Кальвина – главный путь ассимиляции СО2. Фаза декарбоксилирования — углекислый газ, связываясь с рибулозобифосфатом, образует две молекулы фосфоглицерата. Эту реакцию катализирует рибулозобифосфат карбосилаза.

Калькулятор

Сервис бесплатной оценки стоимости работы

  1. Заполните заявку. Специалисты рассчитают стоимость вашей работы
  2. Расчет стоимости придет на почту и по СМС

Номер вашей заявки

Прямо сейчас на почту придет автоматическое письмо-подтверждение с информацией о заявке.

Темновая фаза фотосинтеза где происходит

22 февраля Много бесплатных online мастер-классов по ЕГЭ-2019! Подключайся!

25 декабря На нашем сайте размещён курс русского языка Людмилы Великовой.

− Учитель Думбадзе В. А.
из школы 162 Кировского района Петербурга.

Наша группа ВКонтакте
Мобильные приложения:

Какие основные процессы происходят в темновую фазу фотосинтеза?

1) поступление из атмосферы углекислого газа и его восстановление водородом за счет НАДФ•2Н;

2) использование в реакциях энергии молекул АТФ, синтезированных в световой фазе;

3) синтез глюкозы и крахмала.

Происходит как на свету, так и в темноте (свет не нужен), в строме хлоропластов.

ТЕМНОВАЯ ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА

Словарь ботанических терминов. — Киев: Наукова Думка . Под общей редакцией д.б.н. И.А. Дудки . 1984 .

Смотреть что такое «ТЕМНОВАЯ ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА» в других словарях:

Молекулярная формула фотосинтеза — Молекулярная формула фотосинтеза это один из способов графического изображения процесса фотосинтеза. Это формула была разработана французским биохимиком Мишелем Гриньяром в 1881 году. Она используется для обозначения преобразования световой … Википедия

Искусственный фотосинтез — Искусственный фотосинтез попытки воспроизведения естественного процесса фотосинтеза. При этом под воздействием солнечного света вода и диоксид углерода преобразуются в молекулярный кислород и глюкозу. Иногда к искусственному фотосинтезу… … Википедия

Темновая фаза фотосинтеза

Два этапа фотосинтеза (физический и фотохимический) объединяют в световую фазу фотосинтеза. Вторую фазу фотосинтеза часто называют темновой фазой. Это не совсем удачное название. Если световая фаза была названа так, чтобы подчеркнуть зависимость всех протекающих в ней реакций от света, то название «темновая фаза» означает, что все реакции, в ней протекающие, от света не зависят и проходят в темноте.

Но это не совсем точно. Очень многие реакции темновой фазы фотосинтеза зависят от света, так как ферменты, катализирующие эти реакции, индуцируются светом. Поэтому эту фазу фотосинтеза лучше называть способом превращения углерода, или циклом фиксации углерода, по основному процессу, который в ней происходит. (Происходит фиксация не чистого углерода, а углерода в составе углекислого газа С02.)

Восстановление С02 есть результат переноса электронов на С02. В ходе этого переноса некоторые из связей С-О заменяются на связи С-Н, С—С и О-Н. Процесс состоит из ряда этапов, часть которых (15 или более) образует цикл. Этот цикл был открыт в 1953 г. химиком М. Калвином и его сотрудниками. Использовав в своих опытах вместо обычного (стабильного) изотопа углерода его радиоактивный изотоп, эти исследователи смогли проследить путь углерода в изучаемых реакциях. В 1961 г. Калвин был удостоен за эту работу Нобелевской премии по химии.

Разделение процесса фотосинтеза на две фазы происходит не только по отношению к свету, но и по месту протекания реакций.

Конечные продукты циклического и нециклического фосфорилирования — АТФ и НАДФН — используются в темновых реакциях фотосинтеза. Как же они используются? Если в световой фазе АТФ и НАДФ Н являются конечными продуктами, то в процессе фиксации углерода они используются только на первом этапе цикла. Весь цикл фиксации углерода можно представить в виде следующих стадий:

  • • первая стадия — непосредственная фиксация углекислого газа — карбоксил ирование;
  • • вторая стадия — образование 3-фосфоглицеринового альдегида (ФГА);
  • • третья стадия — образование продуктов фотосинтеза;
  • • четвертая стадия — восстановление первоначальных реагентов. Перечисленные стадии выделены условно — вместе они составляют цикл фиксации углерода, или цикл Кальвина.

В отличие от световых реакций, которые протекали в строгой последовательности, реакции фиксации углерода могут протекать параллельно, за исключением первых двух — фиксации углекислого газа и образования ФГА.

Биология и медицина

Темновая стадия фотосинтеза

На рис. 37 схематически изображены события, происходящие в световой и темновой фазах фотосинтеза, и связь между ними. Свет нужен только для того, чтобы в хлоропластах шел синтез АТФ и НАДФН. Последующий синтез гексоз может идти и в темноте, для этого энергия солнечного света не нужна. Изолированные хлоропласты под действием света осуществляют фотосинтез — поглощают CO2, и в них образуется глюкоза. Если прекращали освещать хлоропласты, то приостанавливался и синтез глюкозы. Однако если в среду с хлоропластами добавить АТФ и НАДФН, то синтез глюкозы возобновится и может идти в полной темноте. Опыты показали, что свет действительно нужен только для синтеза АТФ и НАДФН. В этом значение световой фазы фотосинтеза. Темновая фаза фотосинтеза, как понятно теперь, получила свое название благодаря тому, что хотя она идет при освещении, но может происходить и в темноте при условии, что в клетке, в хлоропластах, имеются заготовленные впрок или добавленные извне молекулы АТФ и НАДФН.

На второй (темновой) стадии фотосинтеза химическая энергия (в виде АТФ ), запасенная в ходе световой реакции, используется для восстановления углерода. Углерод доступен для фотосинтезирующих клеток в виде диоксида углерода, причем настоящие водоросли , багрянки и цианобактерии усваивают СО2, растворенный в воде. У высших растений диоксид углерода поступает к фотосинтезирующим клеткам через устьица.

Восстановление углерода происходит в строме хлоропласта в цикле реакций, известных как цикл Кальвина (по имени М.Кальвина, Нобелевская премия 1961 г. за его открытие), аналогичный циклу Кребса , поскольку в конце цикла происходит регенерация исходного соединения.

Исходное (или конечное) соединение цикла Кальвина — пятиуглеродный сахар, фосфорилированный двумя фосфатными остатками — рибулозо-1,5-бифосфат (РБФ) . СО2 входит в цикл и фиксируется на РБФ. Образуемое при этом шестиуглеродное соединение затем расщепляется на две молекулы 3-глицерофосфата. Каждая молекула 3-глицерофосфата содержит 3 атома углерода, в силу чего другое название цикла Кальвина — С3-путь (говорят еще о С3-типе фотосинтеза и о С3-растениях). Катализирует эти ключевые реакции фермент рибулозобифосфаткарбоксилаза. Он располагается на поверхности тилакоидов . Упрощенная схема цикла Кальвина представлена на рисунке 28 . В течение каждого оборота цикла одна молекула СО2 восстанавливается, а молекула РБФ регенерируется и вновь может участвовать в следующем аналогичном цикле.

Шестиуглеродный сахар глюкоза образуется в результате шести оборотов цикла, которые ведут к «поглощению» 6 молекул СО2.

Суммарное уравнение синтеза глюкозы в ходе цикла Кальвина можно записать следующим образом:

Цикл Кальвина — не единственный путь фиксации углерода в темновых реакциях. У некоторых растений первый продукт фиксации СО2 — не трехуглеродная молекула 3-глицерофосфата, а четырехуглеродное соединение — оксалоацетат. Отсюда этот путь фотосинтеза получил название С4-пути (С4-растения). Оксалоацетат затем быстро превращается либо в малат, либо в аспартат, которые переносят СО2 к РБФ цикла Кальвина . Существует особая анатомическая структура в мезофиле листа ( кранц-структура ), сопряженная с С4-путем фотосинтеза. У С4-растений цикл Кальвина осуществляется по преимуществу в клетках обкладок проводящих пучков, а С4-путь — в клетках мезофилла . Иначе говоря, С4-растения используют оба пути фотосинтеза, но они в пределах одного растения пространственно разделены. С4-растения более экономно утилизируют СО2, чем С3-растения, отчасти благодаря тому, что фосфоенолпируваткарбоксилаза не ингибируется О2 и, таким образом, С4-растения обладают способностью поглощать СО2 с минимальной потерей воды. Кроме того, у С4-растений практически отсутствует фотодыхание — процесс выделения СО2 и поглощения О2 на свету.

С4-растения известны среди 19 семейств цветковых (из них 3 — однодольные и 16 — двудольные ), и, очевидно, этот путь фотосинтеза возник независимо в разных филетических линиях. Однако практически все С4-растения адаптированы к высокой инсоляции, повышенным температурам и засухе. Оптимальная температура для роста и развития таких растений выше, чем у С3-растений; С4-растения процветают даже при температурах, которые губительны для многих С3-видов.

Помимо С3- и С4-путей известен еще так называемый метаболизм органических кислот по типу толстянковых ( CAM-метаболизм , по начальным буквам английских слов crassulacean acid metabolism). Растения, фотосинтезирующие по CAM-типу, могут фиксировать СО2 в темноте с помощью фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы, образуя яблочную кислоту, которая запасается в вакуолях . В течение последующего светового периода яблочная кислота декарбоксилируется и СО2 присоединяется РБФ цикла Кальвина в пределах той же клетки. Иначе говоря, CAM-растения также используют оба пути фотосинтеза, но они разделены в пределах одного растения во времени. CAM-метаболизм обнаружен у многих суккулентных пустынных растений, у которых устьица открыты в ночное время и закрыты днем. CAM- растения, как правило, хорошо адаптированы к засухе, но особенности их метаболизма снижают способность к ассимиляции СО2. Поэтому многие CAM- растения (например, кактусы) растут медленно и вне экстремальных условий слабо конкурируют с С3- и С4-растениями.

В составе хлоропластов имеется фермент, который катализирует соединение молекулы углекислого газа — CO2 с производным пятиуглеродного сахара — рибозы (напомним,что такой сахар в кольцевой форме содержится в составе рибонуклеотидов, из которых состоят молекулы РНК). Это производное рибозы, дважды фосфорилированное (по первому и пятому гидроксилам), является 1,5-рибулезодифосфатом. Ферментом, который катализирует конденсацию СО2 с рибулезо-1,5-дифосфатом , является рибулезо-1,5-дифосфаткарбоксилаза . В результате присоединения одной молекулы CO2 к пятиуглеродному рибулезо- 1,5-ди-фосфату (реакция карбоксилирования) образуется шестиуглеродное промежуточное короткоживущее соединение, которое вследствие гидролиза (присоединения молекулы воды) распадается на две трехуглеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты . Группа ферментов катализирует ступенчатое образование из двух таких трехуглеродных молекул одной молекулы шестиуглеродного сахара — фруктозо-6-фосфат , который далее превращается в глюкозу . В свою очередь, глюкоза может ферментативно полимеризоваться в клетках в крахмал , который служит энергетическим резервом, поскольку крахмал ферментативно расщепляется до глюкозы и ее окисляют клетки высших растений, когда действие света прекращается, и прекращается фотосинтез. Глюкоза полимеризуется, образуя также молекулы опорных полисахаридов растений — целлюлозу . Одна молекула гексозы — фруктозо-6-фосфата или глюкозы образуется из шести молекул CO2 . При этом для синтеза молекулы гексозы требуется расходовать 18 молекул АТФ и 12 молекул НАДФН . Фиксация CO2 и превращение углерода в углеводы носят циклический характер, так как часть промежуточных углеводов претерпевает процесс конденсации и перестроек до рибулозодифосфата — первичного акцептора CO2, что обеспечивает непрерывную работу цикла. Впервые этот процесс подробно изучил американский биохимик М. Кальвин , в честь которого и получил название — цикл Кальвина .

Роль световой фазы фотосинтеза сводится к тому, чтобы обеспечить энергией АТФ и восстанавливающим соединением НАДФН биосинтез сахаров.

АТФ и НАДФН служат для биосинтеза и множества иных органических соединений в клетке.

ФОТОСИНТЕЗ Фотосинтез у зелёных растений — это процесс преобразования свет…

Фотосинтез у зелёных растений — это процесс преобразования света в химическую энергию органических соединений, синтезируемых из углекислого газа и воды. Фотосинтез происходит в две фазы — световую и темновую.

Световая фаза фотосинтеза. Хлорофилл поглощает квант света, который переводит электрон в возбуждённое состояние. Возбуждённый электрон приобретает большой запас энергии и перемещается на более высокий энергетический уровень. Возбуждённый электрон, перемещаясь по цепи сложных органических соединений, теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ. Под воздействием света происходит процесс фотолиза воды. В результате образуются ионы водорода (Н + ) и электроны (е – ), а также побочный продукт — кислород (О2). Электроны и ионы водорода взаимодействуют с молекулой-переносчиком.

Темновая фаза фотосинтеза. В реакциях темновой фазы углекислый газ восстанавливается до глюкозы, при этом затрачивается энергия, запасённая в молекулах АТФ и молекулах-переносчиках водорода. Углекислый газ растение получает из воздуха через устьица. Продуктивность фотосинтеза велика: за один час на 1 м 2 площади листа синтезируется до 1 г сахара.

Используя содержание текста «Фотосинтез» и собственные знания, ответьте на следующие вопросы.

  1. Какие вещества образуются в световую фазу фотосинтеза и какова их дальнейшая судьба?
  2. В каких органах, кроме листьев, может протекать фотосинтез?
  3. В чём состоит космическая роль растений?

Похожие статьи:

  • Электрические принципиальные схемы выпрямительных устройств Схемы простых выпрямителей для зарядки аккумуляторов Первая конструкция. Выпрямитель (рис. 26) собран по мостовой схеме на четырех диодах Д1—Д4 типа Д305. Сила зарядного тока регулируется при помощи мощного транзистора 77, включенного по […]
  • Провода намоточные Провода обмоточные с волокнистой изоляцией Обмоточные провода с волокнистой изоляцией изготовляют из алюминиевой или медной проволоки путем обмотки ее одним, дву­мя или несколькими слоями волокнистых материалов (шелк, хлоп­чатобумажная […]
  • Пускозарядное устройство 12-24v 220 в схема Пуско зарядное устройство для автомобиля Применением пускового устройства более удобно там, где имеется возможность подключить пусковое устройство к сети переменного тока. Схема простого пуско зарядного устройства Пуско зарядное […]
  • Схема подключения домофона метаком Руководство по самостоятельному подключению домофонов «Метаком» Установка домофонов целесообразна в частных, многоквартирных домах, в офисах и организациях. Это устройство препятствует несанкционированному проникновению посторонних в […]
  • Электрические схемы мазда 626 ge Электрические схемы мазда 626 ge Качественные цветные электросхемы автомобиля Mazda 626 на русском языке. Предназначены для поиска неисправностей и ремонта. Система электрооборудования имеет напряжение 12 Вольт с отрицательным […]
  • Провода от эбу ваз 21124 схема Провода от эбу ваз 21124 схема Версия 24.10.16 beta Переезд сайта на новый домен . Электросхемы ЭСУД автомобилей ВАЗ. Номер блока ЭБУ : 21124-1411020-30 , 21124-1411020-31,32 1 - колодка […]
Смотрите так же:  Сечение медного провода под нагрузку