A fotoszintézis fogalma, hol és mi történik a fotoszintézis fényfázisában. A fotoszintézis sötét fázisa

- szerves anyagok szintézise szén-dioxidból és vízből, kötelező fényenergia felhasználásával:

6CO 2 + 6H 2 O + Q fény → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

A magasabb rendű növényekben a fotoszintézis szerve a levél, a fotoszintézis organellumai pedig a kloroplasztiszok (a kloroplasztiszok szerkezete - 7. sz. előadás). A kloroplaszt tilakoidok membránja fotoszintetikus pigmenteket tartalmaz: klorofillokat és karotinoidokat. A klorofillnak több fajtája létezik ( a, b, c, d), a fő a klorofill a. A klorofillmolekulában megkülönböztethető egy porfirin „fej”, amelynek középpontjában magnéziumatom és egy fitol „farok” található. A porfirin „fej” lapos szerkezet, hidrofil, ezért a membrán felszínén fekszik, amely a stroma vizes környezetével szemben helyezkedik el. A fitol „farok” hidrofób, és ennek köszönhetően megtartja a klorofill molekulát a membránban.

A klorofillok elnyelik a vörös és kék-ibolya fényt, visszaverik a zöld fényt, így a növények jellegzetes zöld színét adják. A tilakoid membránokban lévő klorofill molekulák olyanokba szerveződnek fotorendszerek. A növényeknek és a kék-zöld algáknak fotorendszer-1 és fotorendszer-2, míg a fotoszintetikus baktériumoknak fotorendszer-1-jük van. Csak a fotorendszer-2 képes lebontani a vizet, hogy oxigént szabadítson fel és elektronokat vegyen el a víz hidrogénéből.

A fotoszintézis összetett, többlépéses folyamat; A fotoszintézis reakcióit két csoportra osztják: reakciókra világos fázisés reakciók sötét fázis.

Fény fázis

Ez a fázis csak fény jelenlétében következik be tilakoid membránokban, klorofill, elektrontranszport fehérjék és az ATP szintetáz enzim részvételével. A fénykvantum hatására a klorofill elektronok gerjesztődnek, elhagyják a molekulát, és belépnek a tilakoid membrán külső oldalára, amely végül negatív töltésűvé válik. Az oxidált klorofillmolekulák redukálódnak, az intratilakoid térben elhelyezkedő vízből elektronokat vesznek el. Ez a víz lebomlásához vagy fotolíziséhez vezet:

H 2 O + Q fény → H + + OH - .

A hidroxil-ionok feladják elektronjaikat, és reakcióképes gyökökké válnak.

OH - → .OH + e - .

Az OH gyökök egyesülve vizet és szabad oxigént képeznek:

4NO. → 2H 2 O + O 2.

Ebben az esetben az oxigén a külső környezetbe kerül, és a protonok a tilakoid belsejében halmozódnak fel a „protontartályban”. Ennek eredményeként a tilakoid membrán egyrészt a H + hatására pozitívan, másrészt az elektronok hatására negatívan töltődik. Amikor a tilakoid membrán külső és belső oldala közötti potenciálkülönbség eléri a 200 mV-ot, a protonok átnyomódnak az ATP szintetáz csatornákon, és az ADP ATP-vé foszforilálódik; Az atomos hidrogént a specifikus NADP + (nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát) NADPH 2-vé történő visszaállítására használják:

2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.

Így a könnyű fázisban a víz fotolízise megy végbe, amely három fontos folyamattal jár együtt: 1) ATP szintézis; 2) NADPH 2 képződése; 3) oxigén képződése. Az oxigén a légkörbe diffundál, az ATP és a NADPH 2 a kloroplasztisz strómájába kerül, és részt vesz a sötét fázis folyamataiban.

1 - kloroplasztisz stroma; 2 - grana tilakoid.

Sötét fázis

Ez a fázis a kloroplasztisz strómájában következik be. Reakciói nem igényelnek fényenergiát, így nem csak fényben, hanem sötétben is előfordulnak. A sötét fázisú reakciók a (levegőből származó) szén-dioxid egymás utáni átalakulásának láncolata, amely glükóz és más szerves anyagok képződéséhez vezet.

Az első reakció ebben a láncban a szén-dioxid rögzítése; A szén-dioxid akceptor egy öt szénatomos cukor. ribulóz-bifoszfát(RiBF); enzim katalizálja a reakciót Ribulóz-bifoszfát-karboxiláz(RiBP karboxiláz). A ribulóz-biszfoszfát karboxilezése következtében instabil hat szénatomos vegyület képződik, amely azonnal két molekulára bomlik. foszfoglicerinsav(FGK). Ezután egy reakcióciklus megy végbe, amelyben a foszfoglicerinsav egy sor intermedieren keresztül glükózzá alakul. Ezek a reakciók a könnyű fázisban képződött ATP és NADPH 2 energiáját használják fel; Ezeknek a reakcióknak a ciklusát Calvin-ciklusnak nevezik:

6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O.

A glükózon kívül a fotoszintézis során összetett szerves vegyületek egyéb monomerei is képződnek - aminosavak, glicerin és zsírsavak, nukleotidok. Jelenleg kétféle fotoszintézis létezik: C 3 - és C 4 fotoszintézis.

C 3-fotoszintézis

Ez a fotoszintézis egy olyan fajtája, amelyben az első termék három szénatomos (C3) vegyületek. A C 3 fotoszintézist a C 4 fotoszintézis előtt fedezték fel (M. Calvin). A C 3 fotoszintézisről van szó fent, a „Sötét fázis” címszó alatt. A C 3 fotoszintézis jellemzői: 1) a szén-dioxid akceptor a RiBP, 2) a RiBP karboxilezési reakcióját a RiBP karboxiláz katalizálja, 3) a RiBP karboxilezése következtében hat szénatomos vegyület keletkezik, amely bomlik két PGA. Az FGK visszaállításra kerül trióz foszfátok(TF). A TF egy részét a RiBP regenerálására használják, egy részét pedig glükózzá alakítják.

1 - kloroplaszt; 2 - peroxiszóma; 3 - mitokondriumok.

Ez az oxigén fénytől függő felszívódása és szén-dioxid felszabadulása. A múlt század elején megállapították, hogy az oxigén elnyomja a fotoszintézist. Mint kiderült, a RiBP karboxiláz szubsztrátja nemcsak szén-dioxid, hanem oxigén is lehet:

O 2 + RiBP → foszfoglikolát (2C) + PGA (3C).

Az enzimet RiBP oxigenáznak nevezik. Az oxigén a szén-dioxid megkötésének kompetitív gátlója. A foszfátcsoport leszakad, és a foszfoglikolátból glikolát lesz, amelyet a növénynek fel kell használnia. Bejut a peroxiszómákba, ahol glicinné oxidálódik. A glicin bejut a mitokondriumokba, ahol szerinné oxidálódik, a már rögzített szén elvesztésével CO 2 formájában. Ennek eredményeként két glikolát molekula (2C + 2C) egy PGA-vá (3C) és CO 2 -dá alakul. A fotorespiráció a C3-as növények termésének 30-40%-os csökkenéséhez vezet. 3 növénnyel- C 3 fotoszintézissel jellemezhető növények).

A C 4 fotoszintézis olyan fotoszintézis, amelyben az első termék négy szénatomos (C 4) vegyületek. 1965-ben megállapították, hogy egyes növényekben (cukornád, kukorica, cirok, köles) a fotoszintézis első termékei a négyszénsavak. Ezeket a növényeket hívták 4 növénnyel. 1966-ban Hatch és Slack ausztrál tudósok kimutatták, hogy a C4 növények gyakorlatilag nem lélegeznek fényt, és sokkal hatékonyabban szívják fel a szén-dioxidot. A C 4 növények széntranszformációinak útját kezdték nevezni Hatch-Slack.

A C 4 növényeket a levél speciális anatómiai szerkezete jellemzi. Minden vaszkuláris köteget kettős sejtréteg vesz körül: a külső réteg mezofil sejtek, a belső réteg buroksejtek. A szén-dioxid a mezofil sejtek citoplazmájában rögzül, az akceptor az foszfoenolpiruvát(PEP, 3C), a PEP karboxilezése következtében oxálacetát (4C) keletkezik. A folyamat katalizált PEP karboxiláz. A RiBP-karboxiláztól eltérően a PEP-karboxiláz nagyobb affinitással rendelkezik a CO 2 -hoz, és ami a legfontosabb, nem lép kölcsönhatásba az O 2 -vel. A mezofil kloroplasztiszoknak sok szemcséje van, ahol aktívan játszódnak le a fényfázisú reakciók. Sötét fázisú reakciók mennek végbe a buroksejtek kloroplasztiszaiban.

Az oxaloacetát (4C) maláttá alakul, amely a plazmodezmán keresztül a buroksejtekbe kerül. Itt dekarboxilezve és dehidrogénezve piruvát, CO 2 és NADPH 2 keletkezik.

A piruvát visszatér a mezofil sejtekbe, és a PEP-ben található ATP energiájával regenerálódik. A CO 2 -t ismét a RiBP karboxiláz rögzíti, és így PGA-t képez. A PEP regenerációjához ATP energiára van szükség, így csaknem kétszer annyi energiát igényel, mint a C 3 fotoszintézisé.

A fotoszintézis jelentése

A fotoszintézisnek köszönhetően évente több milliárd tonna szén-dioxid szívódik fel a légkörből, és több milliárd tonna oxigén szabadul fel; a fotoszintézis a szerves anyagok képződésének fő forrása. Az oxigén alkotja az ózonréteget, amely megvédi az élő szervezeteket a rövidhullámú ultraibolya sugárzástól.

A fotoszintézis során egy zöld levél a rá eső napenergiának csak kb. 1%-át használja fel a termőképesség 1 m2 felületenként óránként.

Kemoszintézis

A szerves vegyületek szén-dioxidból és vízből történő szintézisét, amely nem a fény energiája, hanem a szervetlen anyagok oxidációs energiája miatt megy végbe, az ún. kemoszintézis. A kemoszintetikus szervezetek közé tartoznak bizonyos típusú baktériumok.

Nitrifikáló baktériumok az ammónia salétromsavvá, majd salétromsavvá oxidálódik (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Vas baktériumok a vas vasat oxidvasssá alakítja (Fe 2+ → Fe 3+).

Kén baktériumok oxidálja a hidrogén-szulfidot kénné vagy kénsavvá (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

A szervetlen anyagok oxidációs reakciói következtében energia szabadul fel, amelyet a baktériumok nagy energiájú ATP kötések formájában tárolnak. Az ATP-t szerves anyagok szintézisére használják, amely a fotoszintézis sötét fázisának reakcióihoz hasonlóan megy végbe.

A kemoszintetizáló baktériumok hozzájárulnak az ásványi anyagok talajban való felhalmozódásához, javítják a talaj termékenységét, elősegítik a szennyvíztisztítást stb.

Menj előadások 11. sz„Az anyagcsere fogalma. Fehérjék bioszintézise"

Menj előadások 13. sz„Az eukarióta sejtek osztódásának módszerei: mitózis, meiózis, amitózis”

Hogyan lehet röviden és világosan megmagyarázni egy ilyen összetett folyamatot, mint a fotoszintézis? A növények az egyetlen élő szervezet, amely képes saját táplálékot előállítani. Hogyan csinálják? A növekedéshez minden szükséges anyagot megkapnak a környezetből: szén-dioxidot a levegőből, a vízből és a talajból. Energiára is szükségük van, amit a napsugarakból nyernek. Ez az energia bizonyos kémiai reakciókat indít el, amelyek során a szén-dioxid és a víz glükózzá (élelmiszerré) alakul át, és ez a fotoszintézis. A folyamat lényege röviden és érthetően elmagyarázható még az iskoláskorú gyerekeknek is.

"A Fénnyel együtt"

A "fotoszintézis" szó két görög szóból származik - "fénykép" és "szintézis", amelyek kombinációja azt jelenti, hogy "együtt a fénnyel". A napenergia kémiai energiává alakul. A fotoszintézis kémiai egyenlete:

6CO 2 + 12H 2 O + könnyű = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.

Ez azt jelenti, hogy 6 molekula szén-dioxidot és tizenkét molekula vizet használnak fel (a napfénnyel együtt) glükóz előállítására, ami hat oxigénmolekulát és hat vízmolekulát eredményez. Ha ezt verbális egyenletként ábrázolja, a következőket kapja:

Víz + nap => glükóz + oxigén + víz.

A nap nagyon erős energiaforrás. Az emberek mindig megpróbálják felhasználni áramtermelésre, házak szigetelésére, vízmelegítésre stb. A növények évmilliókkal ezelőtt „találták ki” a napenergia felhasználását, mert ez szükséges volt a túlélésükhöz. A fotoszintézis röviden és érthetően magyarázható így: a növények a nap fényenergiáját felhasználva kémiai energiává alakítják át, aminek eredménye a cukor (glükóz), melynek feleslegét keményítőként raktározzák a levelek, gyökerek, szárak. és a növény magjai. A nap energiája átkerül a növényekhez, valamint az állatokhoz, amelyek megeszik ezeket a növényeket. Amikor egy növénynek tápanyagra van szüksége a növekedéshez és más életfolyamatokhoz, ezek a tartalékok nagyon hasznosak.

Hogyan veszik fel a növények a nap energiáját?

Ha röviden és világosan beszélünk a fotoszintézisről, érdemes foglalkozni azzal a kérdéssel, hogy a növények hogyan képesek felvenni a napenergiát. Ez a levelek speciális szerkezete miatt következik be, amely zöld sejteket - kloroplasztokat - tartalmaz, amelyek egy speciális klorofill nevű anyagot tartalmaznak. Ez adja a levelek zöld színét, és felelős a napfényből származó energia elnyeléséért.

Miért széles és lapos a legtöbb levél?

A fotoszintézis a növények leveleiben megy végbe. A csodálatos tény az, hogy a növények nagyon jól alkalmazkodnak a napfény megkötéséhez és a szén-dioxid elnyeléséhez. A széles felületnek köszönhetően sokkal több fény fogható meg. Ez az oka annak, hogy az esetenként házak tetejére szerelt napelemek is szélesek és laposak. Minél nagyobb a felület, annál jobb a felszívódás.

Mi még fontos a növények számára?

Az emberekhez hasonlóan a növényeknek is jótékony tápanyagokra van szükségük ahhoz, hogy egészségesek maradjanak, növekedjenek és jól végezzék létfontosságú funkcióikat. A vízben oldott ásványi anyagokat a talajból nyerik a gyökereiken keresztül. Ha a talajban hiányoznak az ásványi tápanyagok, a növény nem fejlődik normálisan. A gazdálkodók gyakran tesztelik a talajt, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy elegendő tápanyaggal rendelkezik a növények növekedéséhez. Ellenkező esetben használjon olyan műtrágyákat, amelyek alapvető ásványi anyagokat tartalmaznak a növények táplálkozásához és növekedéséhez.

Miért olyan fontos a fotoszintézis?

Ahhoz, hogy a fotoszintézist röviden és érthetően elmagyarázzuk a gyerekeknek, érdemes elmondani, hogy ez a folyamat a világ egyik legfontosabb kémiai reakciója. Milyen okai vannak egy ilyen hangos kijelentésnek? Először is, a fotoszintézis táplálja a növényeket, amelyek viszont minden más élőlényt táplálnak a bolygón, beleértve az állatokat és az embereket is. Másodszor, a fotoszintézis eredményeként a légzéshez szükséges oxigén kerül a légkörbe. Minden élőlény belélegzi az oxigént és kilélegzi a szén-dioxidot. Szerencsére a növények ennek az ellenkezőjét teszik, ezért nagyon fontosak az ember és az állatok számára, hiszen légzési képességet adnak nekik.

Csodálatos folyamat

Kiderült, hogy a növények is tudnak lélegezni, de az emberekkel és az állatokkal ellentétben szén-dioxidot szívnak fel a levegőből, nem oxigént. A növények is isznak. Ezért meg kell öntözni őket, különben elpusztulnak. A gyökérrendszer segítségével a víz és a tápanyagok a növénytest minden részébe eljutnak, a szén-dioxid pedig a leveleken lévő apró lyukakon keresztül szívódik fel. A kémiai reakció elindításának kiváltó oka a napfény. Az összes nyert anyagcsereterméket a növények táplálkozásra használják fel, oxigén kerül a légkörbe. Így lehet röviden és érthetően elmagyarázni, hogyan megy végbe a fotoszintézis folyamata.

Fotoszintézis: a fotoszintézis világos és sötét fázisai

A vizsgált folyamat két fő részből áll. A fotoszintézisnek két fázisa van (az alábbi leírás és táblázat). Az elsőt fényfázisnak nevezik. Csak fény jelenlétében fordul elő tilakoid membránokban, klorofill, elektrontranszport fehérjék és az ATP szintetáz enzim részvételével. Mit rejt még a fotoszintézis? Világítsd meg és cseréld ki egymást a nappal és az éjszaka előrehaladtával (Calvin ciklusok). A sötét fázisban ugyanez a glükóz, a növények tápláléka termelődik. Ezt a folyamatot fényfüggetlen reakciónak is nevezik.

Fény fázis

Sötét fázis

1. A kloroplasztiszokban lejátszódó reakciók csak fény jelenlétében lehetségesek. Ezekben a reakciókban a fényenergia kémiai energiává alakul 2. A klorofill és más pigmentek elnyelik a napfény energiáját. Ez az energia a fotoszintézisért felelős fotorendszerekbe kerül 3. A vizet elektronokhoz és hidrogénionokhoz használják, és részt vesz az oxigéntermelésben is 4. Az elektronok és hidrogénionok ATP (energiatároló molekula) létrehozására szolgálnak, amelyre a fotoszintézis következő fázisában van szükség

1. A kloroplasztiszok strómájában extra könnyű ciklus reakciók mennek végbe 2. A szén-dioxidot és az ATP-ből származó energiát glükóz formájában használják fel

Következtetés

A fentiek mindegyikéből a következő következtetések vonhatók le:

• A fotoszintézis egy folyamat, amely energiát állít elő a napból.
• A napból származó fényenergiát a klorofill kémiai energiává alakítja.
• A klorofill adja a növények zöld színét.
• A fotoszintézis a növényi levélsejtek kloroplasztiszában megy végbe.
• A fotoszintézishez szén-dioxid és víz szükséges.
• A szén-dioxid apró lyukakon, sztómákon keresztül jut be a növénybe, és azokon keresztül távozik az oxigén.
• A víz a gyökerein keresztül szívódik fel a növénybe.
• Fotoszintézis nélkül nem lenne élelmiszer a világon.

Fotoszintézis - egyedülálló folyamatrendszer szervetlen anyagokból szerves anyagok előállítására klorofill és fényenergia felhasználásával, valamint oxigén légkörbe juttatására, amelyet hatalmas léptékben hajtanak végre szárazföldön és vízben.

A fotoszintézis sötét fázisának minden folyamata közvetlen fényfogyasztás nélkül megy végbe, de a fényenergia részvételével képződő nagy energiájú anyagok (ATP és NADP.H) nagy szerepet játszanak bennük a fotoszintézis fényfázisában. A sötét fázis során az ATP makroenergetikai kötéseinek energiája a szénhidrátmolekulák szerves vegyületeinek kémiai energiájává alakul. Ez azt jelenti, hogy a napfény energiája a szerves anyagok atomjai közötti kémiai kötésekben konzerválódik, ami nagy jelentőséggel bír a bioszféra energiájában, és kifejezetten bolygónk teljes élő lakosságának élettevékenysége szempontjából.

A fotoszintézis a sejt kloroplasztiszában megy végbe, és a szénhidrátok szintézise a klorofillt hordozó sejtekben, ami a napfényből származó energia felhasználásával megy végbe. A fotoszintézisnek világos és hőmérsékleti fázisai vannak. A fényfázis a fénykvantumok közvetlen felhasználásával biztosítja a szintézis folyamatát a szükséges energiával NADH és ATP formájában. Sötét fázis - fény részvétele nélkül, de számos kémiai reakció során (Calvin ciklus) biztosítja a szénhidrátok, főleg a glükóz képződését. A fotoszintézis jelentősége a bioszférában óriási.

Ezen az oldalon a következő témákban található anyagok:

• A fotoszintézis világos és sötét fázisai elvont

• A fotoszintézis teszt sötét fázisa megoldja

• Világos fázis és sötét folyamatok

• Beszámoló a fotoszintézis sötét fázisa témában

• A fotoszintézis fényreakciói a

Kérdések ezzel az anyaggal kapcsolatban:

A fotoszintézis két fázisból áll - világos és sötét.

A fényfázisban a fénykvantumok (fotonok) kölcsönhatásba lépnek a klorofill molekulákkal, aminek következtében ezek a molekulák nagyon rövid időre energiadúsabb „gerjesztett” állapotba kerülnek. Egyes „gerjesztett” molekulák energiafeleslegét ezután hővé alakítják vagy fényként bocsátják ki. Egy másik része hidrogénionokhoz kerül, amelyek a víz disszociációja miatt mindig jelen vannak vizes oldatban. A kapott hidrogénatomokat lazán egyesítik szerves molekulákkal - hidrogénhordozókkal. Az "OH" hidroxidionok átadják elektronjaikat más molekuláknak és szabad gyökökké alakulnak. Az OH gyökök kölcsönhatásba lépnek egymással, ami víz és molekuláris oxigén képződését eredményezi.

4OH = O2 + 2H2O Így a fotoszintézis során keletkező és a légkörbe kerülő molekuláris oxigén forrása a fotolízis - a víz fény hatására bekövetkező bomlása. A víz fotolízise mellett a napsugárzás energiáját a fényfázisban ATP és ADP, valamint foszfát szintézisére használják oxigén részvétele nélkül. Ez egy nagyon hatékony folyamat: a kloroplasztiszok 30-szor több ATP-t termelnek, mint ugyanazon növények mitokondriumai oxigén részvételével. Ily módon a fotoszintézis sötét fázisában a folyamatokhoz szükséges energia felhalmozódik.

A sötét fázis kémiai reakcióinak komplexumában, amelyhez nincs szükség fényre, a kulcs helyet a CO2 megkötése foglalja el. Ezek a reakciók a könnyű fázisban szintetizált ATP molekulákat és a víz fotolízise során képződő hidrogénatomokat foglalják magukban, amelyek hordozó molekulákhoz kapcsolódnak:

6СО2 + 24Н -» С6Н12О6 + 6НЭО

Így alakul át a napfény energiája összetett szerves vegyületek kémiai kötéseinek energiájává.

87. A fotoszintézis jelentősége a növények és a bolygó számára.

A fotoszintézis a biológiai energia fő forrása a fotoszintetikus autotrófok, amelyek szerves anyagokat szintetizálnak szervetlenekből, az autotrófok által tárolt energia rovására kémiai kötések formájában szabadulnak fel; Az emberiség által fosszilis tüzelőanyagok (szén, olaj, földgáz, tőzeg) elégetésével nyert energia a fotoszintézis folyamatában is raktározódik.

A fotoszintézis a szervetlen szén fő bevitele a biológiai körforgásba. A légkörben található összes szabad oxigén biogén eredetű, és a fotoszintézis mellékterméke. Az oxidáló atmoszféra kialakulása (oxigénkatasztrófa) teljesen megváltoztatta a földfelszín állapotát, lehetővé tette a légzés megjelenését, majd később, az ózonréteg kialakulása után lehetővé tette az életnek a szárazföldre jutását. A fotoszintézis folyamata minden élőlény táplálkozásának alapja, emellett ellátja az emberiséget tüzelőanyaggal (fa, szén, olaj), rosttal (cellulóz) és számtalan hasznos kémiai vegyülettel. A termés száraz tömegének mintegy 90-95%-a a fotoszintézis során a levegőből megkötött szén-dioxidból és vízből képződik. A fennmaradó 5-10% ásványi sókból és a talajból nyert nitrogénből származik.

Az emberek a fotoszintetikus termékek mintegy 7%-át élelmiszerként, állati takarmányként, valamint üzemanyagként és építőanyagként használják fel.

A fotoszintézis, amely az egyik legelterjedtebb folyamat a Földön, meghatározza a szén, az oxigén és más elemek természetes körforgását, és biztosítja bolygónkon az élet anyagi és energiaalapját. A fotoszintézis az egyetlen légköri oxigénforrás.

A fotoszintézis az egyik leggyakoribb folyamat a Földön, amely meghatározza a szén, az O2 és más elemek körforgását a természetben. Ez képezi a bolygó minden életének anyagi és energetikai alapját. Évente a fotoszintézis eredményeként mintegy 81010 tonna szén kötődik meg szerves anyag formájában, és akár 1011 tonna cellulóz képződik. A fotoszintézisnek köszönhetően a szárazföldi növények mintegy 1,8 1011 tonna száraz biomasszát termelnek évente; megközelítőleg ugyanannyi növényi biomassza képződik évente az óceánokban. A trópusi erdők a föld teljes fotoszintetikus termelésének 29%-át teszik ki, és az összes erdőtípus 68%-át teszi ki. A magasabb rendű növények és algák fotoszintézise az egyetlen légköri O2 forrás. A biológiai evolúció legfontosabb eseménye a víz oxidációjának mechanizmusának mintegy 2,8 milliárd évvel ezelőtti megjelenése a Földön, így a Nap fénye a bioszféra szabad energia fő forrása, a víz pedig szinte korlátlan. hidrogénforrás az élő szervezetekben lévő anyagok szintéziséhez. Ennek eredményeként modern összetételű atmoszféra alakult ki, az O2 elérhetővé vált az élelmiszerek oxidációjához, és ez magasan szervezett heterotróf szervezetek megjelenéséhez vezetett (exogén szerves anyagokat szénforrásként használva). A napsugárzás teljes energiatárolása fotoszintézis termékek formájában évente mintegy 1,6 1021 kJ, ami körülbelül 10-szerese az emberiség modern energiafogyasztásának. A napsugárzás energiájának körülbelül a fele a spektrum látható tartományában található (l hullámhossz 400-700 nm), amelyet a fotoszintézishez (fiziológiailag aktív sugárzás, vagy PAR) használnak. Az infravörös sugárzás nem alkalmas oxigéntermelő szervezetek (magasabbrendű növények és algák) fotoszintézisére, de egyes fotoszintetikus baktériumok felhasználják.

A kemoszintézis folyamatának felfedezése, S. N. Vinogradsky. A folyamat jellemzői.

A kemoszintézis szerves anyagok szén-dioxidból történő szintézisének folyamata, amely a mikroorganizmusok élete során az ammónia, hidrogén-szulfid és más vegyi anyagok oxidációja során felszabaduló energia miatt következik be. A kemoszintézisnek van egy másik neve is - chemolitoautotrophia. S. N. Vinogradovsky 1887-es felfedezése a kemoszintézisről gyökeresen megváltoztatta a tudománynak az élő szervezetek számára alapvető anyagcsere-típusairól alkotott felfogását. Sok mikroorganizmus számára a kemoszintézis az egyetlen táplálkozási mód, mivel egyetlen szénforrásként képesek asszimilálni a szén-dioxidot. A fotoszintézissel ellentétben a kemoszintézis a redox reakciók eredményeként keletkező energiát használja fel fényenergia helyett.

Ennek az energiának elegendőnek kell lennie az adenozin-trifoszforsav (ATP) szintéziséhez, mennyisége pedig meghaladja a 10 kcal/mol értéket. Az oxidált anyagok egy része már citokróm szinten leadja elektronjait a láncnak, és így további energiafelhasználás keletkezik a redukálószer szintéziséhez. A kemoszintézis során a szerves vegyületek bioszintézise a szén-dioxid autotróf asszimilációja miatt megy végbe, vagyis pontosan ugyanúgy, mint a fotoszintézis során. A sejtmembránba beépült bakteriális légző enzimek láncán keresztül történő elektronok átvitele eredményeként ATP formájában energiát nyernek. Az igen nagy energiafelhasználás miatt a hidrogéneken kívül minden kemoszintetizáló baktérium meglehetősen kis mennyiségű biomasszát képez, ugyanakkor nagy mennyiségű szervetlen anyagot oxidál. A hidrogénbaktériumokat a tudósok fehérje előállítására és a légkör szén-dioxidtól való megtisztítására használják, különösen zárt ökológiai rendszerekben. Nagyon sokféle kemoszintetikus baktérium létezik, többségük a pszeudomonádok közé tartozik, megtalálhatók a fonalas és bimbós baktériumok, leptospira, spirilla és corynebaktériumok között is.

Példák a kemoszintézis prokarióták általi alkalmazására.

A kemoszintézis (a folyamatot Szergej Nyikolajevics Vinogradszkij orosz kutató fedezte fel) lényege a szervezet energiatermelése redox-reakciók révén, amelyeket a szervezet maga hajt végre egyszerű (szervetlen) anyagokkal. Ilyen reakciók lehetnek például az ammónium oxidációja nitritté, vagy a kétértékű vas oxidációja ferrivé, a hidrogén-szulfid kénné stb. A prokarióták bizonyos csoportjai (a szó tágabb értelmében vett baktériumok) képesek kemoszintézisre. A kemoszintézis miatt jelenleg csak egyes hidrotermális helyek ökoszisztémái vannak (az óceán fenekén olyan helyek, ahol redukált anyagokban - hidrogénben, hidrogén-szulfidban, vas-szulfidban stb. - gazdag, forró föld alatti vizek kivezetései vannak), valamint rendkívül egyszerűek. , amely csak baktériumokból áll, a szárazföldi kőzettörésekben nagy mélységben található ökoszisztémák.

A baktériumok kemoszintetikusak, elpusztítják a kőzeteket, tisztítják a szennyvizet és részt vesznek az ásványi anyagok képződésében.

Fotoszintézis szintézis folyamata szerves anyag a szervetlenektől a fényenergia miatt. Az esetek túlnyomó többségében a fotoszintézist a növények végzik sejtszervecskék segítségével, mint pl kloroplasztiszok zöld pigmentet tartalmaz klorofill.

Ha a növények nem lennének képesek szerves anyagok szintetizálására, akkor szinte minden más élőlénynek a Földön nem lenne mit ennie, mivel az állatok, gombák és sok baktérium nem tud szerves anyagokat szintetizálni a szervetlenekből. Csak a készeket szívják fel, egyszerűbbekre bontják, amelyekből ismét összeállítanak komplexeket, de már a testükre jellemzőket.

Ez a helyzet, ha nagyon röviden beszélünk a fotoszintézisről és annak szerepéről. A fotoszintézis megértéséhez többet kell mondanunk: milyen konkrét szervetlen anyagokat használnak, hogyan megy végbe a szintézis?

A fotoszintézishez két szervetlen anyagra - szén-dioxidra (CO 2) és vízre (H 2 O) van szükség. Az elsőt a növényi föld feletti részek szívják fel a levegőből, főként sztómákon keresztül. A víz a talajból származik, ahonnan a növény vezetőrendszere a fotoszintetikus sejtekhez juttatja. A fotoszintézishez szintén szükség van a fotonok energiájára (hν), de ezek nem tulajdoníthatók az anyagnak.

Összességében a fotoszintézis szerves anyagot és oxigént (O2) termel. Jellemzően a szerves anyag leggyakrabban glükózt (C 6 H 12 O 6) jelent.

A szerves vegyületek többnyire szén-, hidrogén- és oxigénatomokból állnak. Szén-dioxidban és vízben találhatók. A fotoszintézis során azonban oxigén szabadul fel. Atomjai a vízből származnak.

Röviden és általánosságban a fotoszintézis reakciójának egyenletét általában a következőképpen írják le:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

De ez az egyenlet nem tükrözi a fotoszintézis lényegét, és nem teszi érthetővé. Nézd, bár az egyenlet kiegyensúlyozott, benne a szabad oxigénben lévő atomok teljes száma 12. De azt mondtuk, hogy vízből származnak, és csak 6 van belőlük.

Valójában a fotoszintézis két fázisban megy végbe. Az elsőt úgy hívják fény, második - sötét. Az ilyen elnevezések annak a ténynek köszönhető, hogy a fény csak a jelenlététől függetlenül szükséges, de ez nem jelenti azt, hogy sötétben jár. A világos fázis a tilakoid membránokon, a sötét fázis a kloroplasztisz strómájában fordul elő.

A világos fázis alatt CO 2 megkötés nem következik be. Mindössze annyi történik, hogy a napenergiát klorofill komplexek rögzítik, tárolása -ben, valamint az energia felhasználása a NADP NADP*H 2 -re redukálására. A fénnyel gerjesztett klorofillból származó energiaáramlást a tilakoid membránokba épített enzimek elektronszállító lánca mentén továbbított elektronok biztosítják.

A NADP hidrogéne vízből származik, amely a napfény hatására oxigénatomokra, hidrogén protonokra és elektronokra bomlik. Ezt a folyamatot ún fotolízis. A vízből származó oxigén nem szükséges a fotoszintézishez. Két vízmolekulából származó oxigénatomok egyesülve molekuláris oxigént képeznek. A fotoszintézis könnyű fázisának reakcióegyenlete röviden így néz ki:

H 2 O + (ADP+P) + NADP → ATP + NADP*H 2 + ½O 2

Így az oxigén felszabadulása a fotoszintézis fényfázisában történik. Az ADP-ből és foszforsavból szintetizált ATP-molekulák száma egy vízmolekula fotolízisére különböző lehet: egy vagy kettő.

Tehát az ATP és a NADP*H 2 a világos fázisból a sötét fázisba kerül. Itt az első energiáját és a második redukáló erejét a szén-dioxid megkötésére fordítják. A fotoszintézis ezen szakasza nem magyarázható egyszerűen és tömören, mert nem úgy megy végbe, hogy hat CO 2 molekula a NADP*H 2 molekulákból felszabaduló hidrogénnel egyesülve glükózt képez:

6CO 2 + 6NADP*H 2 → C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(a reakció az ATP energiafelhasználásával megy végbe, amely ADP-re és foszforsavra bomlik).

Az adott reakció csak leegyszerűsítés, hogy könnyebben érthető legyen. Valójában a szén-dioxid molekulák egyenként kötődnek, csatlakozva a már elkészített öt szénatomos szerves anyaghoz. Instabil hat szénatomos szerves anyag képződik, amely három szénatomos szénhidrát molekulákra bomlik. E molekulák némelyikét az eredeti öt szénatomos anyag újraszintetizálására használják a CO 2 megkötésére. Ez az újraszintézis biztosított Calvin ciklus. A három szénatomot tartalmazó szénhidrátmolekulák kisebb része kilép a ciklusból. Az összes többi szerves anyag (szénhidrát, zsír, fehérje) belőlük és más anyagokból szintetizálódik.

Azaz valójában a három szénatomos cukrok, nem a glükóz jönnek ki a fotoszintézis sötét fázisából.