Читать книгу Биология: путь к пониманию жизни – от клеточных механизмов до эволюции видов. Цикл: учебники и учебные пособия по биологии, сельскому хозяйству, зоологии, анатомии и агрономии - - Страница 13

Фотосинтез представляет собой процесс образования органических веществ из углекислого газа (CO2) и воды (H2O) с использованием энергии солнца.

Фотосинтез состоит из двух последовательных этапов: световой и темновой.

**Световая фаза**

В этой фазе происходит преобразование энергии света, поглощаемой хлорофиллом, в электрическую энергию электрон-транспортной цепи. Этот процесс осуществляется на мембранах тилакоидов с участием фермента АТФ-синтетазы и мембранных белков-переносчиков. В ходе световой фазы у растений протекают два важных процесса: фотолиз воды и синтез АТФ (нециклическое фосфорилирование).

**Темновая фаза**

Темновая фаза представляет собой преобразование углекислого газа в глюкозу с использованием энергии, запасённой в молекулах АТФ и НАДФ·Н2. Реакции темновой фазы протекают в строме хлоропластов, где уже находятся молекулы АТФ и НАДФ·Н2, образовавшиеся в световой фазе. Углекислый газ (CO2) поступает в растение из воздуха через устьица. В результате темновой фазы из углекислого газа образуется глюкоза, которая затем превращается в крахмал. Кроме глюкозы, в хлоропластах синтезируются и другие органические вещества: аминокислоты, нуклеотиды и другие.

Фотосинтез – это ключевой биологический процесс, который происходит в растениях, водорослях и некоторых бактериях. Он представляет собой преобразование световой энергии (в основном солнечной) в химическую энергию, которая затем используется для синтеза органических веществ из неорганических.

Основные этапы фотосинтеза:

Процесс фотосинтеза можно разделить на две основные фазы: световую и темновую. Каждая фаза включает несколько ключевых этапов.

Световая фаза

Световая фаза фотосинтеза происходит в хлоропластах клеток растений, особенно в тилакоидах – мембранных структурах внутри хлоропластов. Она начинается с поглощения света специальными пигментами, такими как хлорофилл.

– Поглощение света хлорофиллом: Хлорофилл – это зеленый пигмент, который находится в хлоропластах и способен улавливать световые волны определенной длины. Когда фотон света попадает на молекулу хлорофилла, он возбуждает электрон, переводя его на более высокий энергетический уровень.

– Передача энергии по цепи переноса электронов: Возбужденный электрон передается через цепь переносчиков электронов, расположенных в мембране тилакоидов. Эта цепь состоит из белков и других молекул, которые способны принимать и передавать электроны друг другу. В процессе передачи электронов выделяется энергия, которая используется для создания АТФ (аденозинтрифосфата) – основного источника энергии для клеточных процессов.

– Синтез АТФ: Энергия, выделяемая при передаче электронов, используется для фосфорилирования АДФ (аденозиндифосфат), превращая его в АТФ. Этот процесс называется фотофосфорилированием.

– Разделение воды: Одновременно с передачей электронов происходит разделение молекулы воды (фотолиз). При этом выделяются кислород, протоны (ионы водорода) и электроны. Кислород высвобождается в атмосферу, а протоны и электроны используются в дальнейших реакциях.

– Образование NADPH: Электроны, полученные от разделения воды, вместе с протонами объединяются с молекулой никотинамидадениндинуклеотидфосфатом (NADP+), образуя восстановленную форму этого соединения – NADPH. NADPH играет важную роль в темновой фазе фотосинтеза.

Темновая фаза (цикл Кальвина)

Темновая фаза фотосинтеза, также известная как цикл Кальвина, происходит в строме хлоропластов. Несмотря на название, она может происходить как днем, так и ночью, поскольку не требует прямого участия света.

– Фиксация углекислого газа: Углекислый газ (CO₂) из атмосферы поступает в клетки растения и фиксируется ферментом рибулозобифосфаткарбоксилазой/оксигеназой (RuBisCO). RuBisCO присоединяет CO₂ к пятиуглеродному сахару рибулозо-1,5-бисфосфату (RuBP).

– Образование фосфоглицерата: После присоединения CO₂ образуется нестабильное шестиуглеродное соединение, которое быстро распадается на два трехуглеродных соединения – фосфоглицерат (PGA).

– Восстановление PGA до глицеральдегид-3-фосфата (GAP): PGA восстанавливается до GAP с использованием энергии АТФ и NADPH, полученных в световой фазе. Этот этап включает несколько промежуточных реакций.

– Регуляция цикла: Часть GAP используется для регенерации RuBP, чтобы продолжить цикл фиксации CO₂. Остальная часть GAP превращается в глюкозу и другие органические вещества, которые могут быть использованы растением для роста и развития.

Важность фотосинтеза

Фотосинтез является основой жизни на Земле. Благодаря этому процессу растения, водоросли и некоторые бактерии производят органические вещества, служащие пищей для большинства живых организмов. Кроме того, фотосинтез обеспечивает атмосферу кислородом, необходимым для дыхания многих видов.

Таким образом, фотосинтез – это сложный многоэтапный процесс, обеспечивающий преобразование световой энергии в химическую энергию и синтез органических веществ из неорганических.

Упражнение №8. Тестовое задание для закрепления темы «3.1. Процесс фотосинтеза». Вопросы разделены на разные уровни сложности.

Легкие вопросы:

– 1. Что такое фотосинтез?

A. Процесс дыхания

B. Процесс превращения света в пищу

C. Процесс роста растений

– 2. Где происходит фотосинтез?

A. В корнях

B. В листьях

C. В стебле

– 3. Какой источник энергии используется в фотосинтезе?

A. Вода

B. Солнечный свет

C. Луна

Средние вопросы:

– 4. Какой газ растения поглощают во время фотосинтеза?

A. Углекислый газ

B. Кислород

C. Азот

– 5. Какой продукт образуется во время фотосинтеза?

A. Сахар

B. Вода

C. Углекислый газ

– 6. Какой пигмент помогает растениям улавливать свет?

A. Каротин

B. Хлорофилл

C. Антоциан

Сложные вопросы:

– 7. Какова формула фотосинтеза?

A. 6CO₂ +6H₂O → C₆H₁₂O₆ +6O₂

B. C₆H₁₂O₆ +6O₂ → 6CO₂ +6H₂O

C. H₂O + O₂ → H₂ + O

– 8. Какое значение имеет фотосинтез для экосистемы?

A. Он уменьшает количество кислорода.

B. Он производит кислород и пищу.

C. Он убивает растения.

– 9. Какие факторы влияют на скорость фотосинтеза?

A. Свет, температура, углекислый газ

B. Луна, ветер, дождь

C. Грунт, время, листья

Очень сложные вопросы:

– 10. Как фотосинтез влияет на климат Земли?

A. Увеличивает температуру

B. Уменьшает содержание углекислого газа

C. Устойчиво изменяет погоду

– 11. Какой процесс происходит во время световой фазы фотосинтеза?

A. Превращение света в углеводы

B. Продукция ATP и NADPH

C. Удаление кислорода

– 12. Как изменения в окружающей среде, например, загрязнение, влияют на фотосинтез?

A. Помогают растениям расти быстрее

B. Могут уменьшить эффективность фотосинтеза

C. Не влияют на растения

Инструкция:

Прочитай каждый вопрос.

Выбери правильный ответ.

Проверь ответы с учителем или с другом.

Эти вопросы помогут учащимся закрепить пройденный материал.

3.2. Роль хлоропластов

Фотосинтез – это сложный биохимический процесс, который происходит в растениях, водорослях и некоторых бактериях. В ходе этого процесса световая энергия преобразуется в химическую энергию, которая затем используется для синтеза органических веществ из неорганических (например, углекислого газа). Ключевым местом, где происходят эти преобразования, являются хлоропласты.

Что такое хлоропласты? Хлоропласты – это органеллы, которые находятся внутри клеток растений и некоторых других организмов. Они имеют двойную мембрану и содержат множество мелких структур, называемых тилакоидами, собранных в стопки, называемые гранами. Внутри тилакоидов находится зеленое вещество под названием хлорофилл, которое играет важную роль в процессе фотосинтеза.

Структура хлоропластов

– Наружная мембрана: Она окружает весь хлоропласт и служит барьером между внутренней средой хлоропласта и цитоплазмой клетки.

– Внутренняя мембрана: Эта мембрана отделяет внутреннее пространство хлоропласта от межмембранного пространства. Она контролирует обмен веществами между внутренним содержимым хлоропласта и окружающей клеткой.

– Матрикс (строма): Это внутренняя жидкость хлоропласта, содержащая ферменты, ДНК, рибосомы и другие компоненты, необходимые для фотосинтетической активности.

– Тилакоиды: Эти структуры представляют собой плоские мешочки, уложенные друг на друга, образуя граны. В мембранах тилакоидов содержатся молекулы хлорофилла и другие пигменты, а также белки, участвующие в световой фазе фотосинтеза.

– Граны: Стопки тилакоидов, соединенных ламеллами (тонкими мембранами), образуют структуру, напоминающую стопку монет. Граны обеспечивают большую площадь поверхности для поглощения света.

– Ламеллы: Мембраны, соединяющие отдельные граны, они играют важную роль в распределении энергии и продуктов реакции по всему хлоропласту.

Роль хлоропластов в фотосинтезе Фотосинтез состоит из двух основных этапов:

– Световая фаза: Происходит в мембранах тилакоидов.

– Темновая фаза: Происходит в строме хлоропласта.

Световая фаза В этой фазе световая энергия, поглощенная молекулами хлорофилла, используется для создания высокоэнергетического соединения аденозинтрифосфата (АТФ) и восстановленного никотинамид-аденин-динуклеотида фосфата (NADPH).

– Поглощение света: Молекула хлорофилла поглощает фотон света, что приводит к возбуждению электрона. Этот электрон передается через цепь переносчиков электронов, расположенную в мембране тилакоида.

– Цепь переноса электронов: Электроны проходят через серию белков и коферментов, теряя часть своей энергии при каждом переходе. Эта энергия используется для синтеза АТФ из АДФ (аденозиндифосфат) и неорганического фосфата.

– Разделение воды: В процессе переноса электронов вода расщепляется на кислород, протоны и электроны. Кислород выделяется как побочный продукт, а протоны используются для создания градиента концентрации, который способствует синтезу АТФ.

– Синтез NADPH: Электроны, полученные от разделения воды, восстанавливают NADP+ до NADPH, который является важным источником водорода для темновой фазы.

Темновая фаза (цикл Кальвина) Эта фаза происходит в строме хлоропласта и не требует прямого участия света. Однако она использует продукты световой фазы – АТФ и NADPH.

– Фиксация CO₂: Углекислый газ (CO₂) связывается с пятиуглеродным сахаром, называемым рибулозо-1,5-бисфосфатом (RuBP), с помощью фермента RuBisCO (рибулозобифосфаткарбоксилаза/оксигеназа).

– Образование глицеральдегид-3-фосфата (G3P): Продукт фиксации CO₂ превращается в G3P, который может быть использован для синтеза глюкозы и других углеводов.

– Регуляция цикла: Фермент RuBisCO способен также катализировать реакцию окисления RuBP, что снижает эффективность фотосинтеза. Поэтому важно поддерживать оптимальные условия для работы этого фермента.

Вывод.

Таким образом, хлоропласты играют ключевую роль в процессе фотосинтеза, обеспечивая место для протекания всех его стадий. Их уникальная структура позволяет эффективно использовать световую энергию для синтеза органических веществ, необходимых для роста и развития растений. Основная функция хлоропластов в живых организмах заключается в осуществлении фотосинтеза.

Хлоропласты способны поглощать и преобразовывать энергию света, используя её для связывания атомов углерода из атмосферного углекислого газа в длинные цепочки сахаров. Эти полимерные формы служат источниками энергии, которые могут храниться в растении, транспортироваться по его тканям или превращаться в другие органические соединения.

Другие важные функции хлоропластов:

1. Синтез различных веществ: Хлоропласты участвуют в производстве жирных кислот, аминокислот, фитогормонов, витаминов, нуклеотидов, вторичных метаболитов, ассимиляционного крахмала и ферментов.

2. Восстановление нитритов и сульфатов: Эти процессы позволяют хлоропластам преобразовывать неорганические вещества в органические соединения.

3. Участие в наследственном комплексе: Хлоропласты содержат ДНК и играют ключевую роль в передаче наследственных признаков.

Упражнение №9 Задание на закрепление материала по теме «3.2. Роль хлоропластов»

Легкие вопросы:

1. Где находятся хлоропласты?

2. Что такое тилакоиды?

3. Какую роль играет хлорофилл в фотосинтезе?

Вопросы среднего уровня:

4. Опишите структуру хлоропласта.

5. Как граны участвуют в фотосинтезе?

6. Какая химическая реакция происходит в тилакоидах?

Сложные вопросы:

7. Объясните, как световая энергия преобразуется в химическую энергию в хлоропластах.

8. Опишите роль электронтранспортной цепи в фотосинтезе.

9. Какое значение хлоропластов для жизни на Земле?

Очень сложные вопросы:

10. Исследуйте влияние концентрации углекислого газа на скорость фотосинтеза. Сформулируйте гипотезу и разработайте эксперимент для ее проверки.

11. Проанализируйте роль хлоропластов в эволюции растений. Как изменение структуры и функции хлоропластов повлияло на разнообразие и адаптацию растений?

12. Предложите новые направления исследований, которые могли бы расширить наше понимание роли хлоропластов в биологических процессах.