Procese de fotosinteză și chimiosinteză. Faza întunecată și ușoară a fotosintezei

• apare numai cu participarea luminii solare;
• la procariote faza luminoasa apare în citoplasmă la eucariote, reacțiile apar pe membranele granulelor de cloroplaste, unde se află clorofila;
• Datorită energiei luminii solare, se formează molecule de ATP (adenozin trifosfat), în care este stocat.

Reacții care au loc în faza luminoasă

O condiție necesară pentru ca faza luminoasă a fotosintezei să înceapă este prezența luminii solare. Totul începe cu faptul că un foton de lumină lovește clorofila (în cloroplaste) și își transferă moleculele într-o stare excitată. Acest lucru se întâmplă deoarece un electron din pigment, după ce a prins un foton de lumină, trece la un nivel de energie mai înalt.

Apoi, acest electron, care trece printr-un lanț de purtători (sunt proteine ​​situate în membranele cloroplastei), eliberează excesul de energie la reacția de sinteză a ATP.

ATP este o moleculă foarte convenabilă pentru stocarea energiei. Se referă la compuși de înaltă energie - acestea sunt substanțe a căror hidroliză eliberează număr mare energie.

Molecula de ATP este, de asemenea, convenabilă prin faptul că energia poate fi eliberată din ea în două etape: separarea unui reziduu de acid fosforic la un moment dat, primind de fiecare dată o porțiune de energie. Merge mai departe pentru a satisface orice nevoi ale celulei și ale corpului în ansamblu.

Despicarea apei

Faza de lumină a fotosintezei ne permite să obținem energie din lumina soarelui. Se referă nu numai la formarea de ATP, ci și la scindarea apei:

Acest proces se mai numește și fotoliză (foto - lumină, liză - scindare). După cum puteți vedea, oxigenul este eliberat în cele din urmă, ceea ce permite tuturor animalelor și plantelor să respire.

Protonii sunt utilizați pentru a forma NADP-H, care va fi folosit în faza întunecată ca sursă a acestor protoni.

Și electronii formați în timpul fotolizei apei vor compensa clorofila pentru pierderile acesteia chiar la începutul lanțului. Astfel, totul cade la loc și sistemul este din nou gata să absoarbă următorul foton de lumină.

Valoarea fazei luminii

Plantele sunt autotrofe - organisme care sunt capabile să obțină energie nu din descompunerea substanțelor finite, ci o creează independent, folosind doar lumină, dioxid de carbon și apă. De aceea sunt producători în lanțul alimentar. Animalele, spre deosebire de plante, nu pot efectua fotosinteza în celulele lor.

Mecanismul fotosintezei - video

Cu sau fără utilizarea energiei luminii. Este caracteristic plantelor. Să ne gândim în continuare care sunt fazele întunecate și luminoase ale fotosintezei.

Informații generale

Organul fotosintezei la plantele superioare este frunza. Cloroplastele acționează ca organele. Pigmenții fotosintetici sunt prezenți în membranele tilacoizilor lor. Sunt carotenoide și clorofile. Acestea din urmă există sub mai multe forme (a, c, b, d). Principala este a-clorofila. Molecula sa conține un „cap” de porfirină cu un atom de magneziu situat în centru, precum și o „coadă” de fitol. Primul element este prezentat ca o structură plată. „Capul” este hidrofil, prin urmare este situat pe acea parte a membranei care este îndreptată spre mediu acvatic. „Coada” fitolului este hidrofobă. Din acest motiv, reține molecula de clorofilă în membrană. Clorofilele absorb lumina albastră-violetă și roșie. De asemenea, reflectă verde, dând plantelor culoarea lor caracteristică. În membranele tilactoide, moleculele de clorofilă sunt organizate în fotosisteme. Algele și plantele albastru-verzi sunt caracterizate de sistemele 1 și 2. Bacteriile fotosintetice au doar primele. Al doilea sistem poate descompune H 2 O și eliberează oxigen.

Faza ușoară a fotosintezei

Procesele care au loc în plante sunt complexe și în mai multe etape. În special, se disting două grupuri de reacții. Sunt fazele întunecate și luminoase ale fotosintezei. Acesta din urmă are loc cu participarea enzimei ATP, a proteinelor de transfer de electroni și a clorofilei. Faza ușoară a fotosintezei are loc în membranele tilactoide. Electronii clorofilei devin excitați și părăsesc molecula. După aceasta, ajung pe suprafața exterioară a membranei tilactoide. La rândul său, devine încărcat negativ. După oxidare, începe reducerea moleculelor de clorofilă. Ei preiau electroni din apă, care este prezentă în spațiul intralacoid. Astfel, faza ușoară a fotosintezei are loc în membrană în timpul degradarii (fotolizei): H 2 O + Q lumină → H + + OH -

Ionii hidroxil se transformă în radicali reactivi, donându-și electronii:

OH - → .OH + e -

Radicalii OH se combină și se formează oxigen liber si apa:

4NR. → 2H2O + O2.

În acest caz, oxigenul este eliminat în mediul înconjurător (extern), iar protonii se acumulează în interiorul tilactoidului într-un „rezervor” special. Ca urmare, acolo unde are loc faza ușoară a fotosintezei, membrana tilactoidă primește o sarcină pozitivă datorită H + pe o parte. În același timp, datorită electronilor, este încărcat negativ.

Fosfirilarea ADP

Acolo unde are loc faza ușoară a fotosintezei, există o diferență de potențial între suprafețele interioare și exterioare ale membranei. Când atinge 200 mV, protonii încep să fie împinși prin canalele ATP sintetazei. Astfel, faza ușoară a fotosintezei are loc în membrană atunci când ADP este fosforilat la ATP. În acest caz, hidrogenul atomic este trimis pentru a restabili purtătorul special nicotinamidă adenină dinucleotidă fosfat NADP+ la NADP.H2:

2Н + + 2е — + NADP → NADP.Н 2

Faza ușoară a fotosintezei include astfel fotoliza apei. Ea, la rândul său, este însoțită de trei reacții cele mai importante:

1. sinteza ATP.
2. Formarea NADP.H 2.
3. Formarea oxigenului.

Faza ușoară a fotosintezei este însoțită de eliberarea acesteia din urmă în atmosferă. NADP.H2 și ATP se deplasează în stroma cloroplastei. Aceasta completează faza luminoasă a fotosintezei.

Un alt grup de reacții

Faza întunecată a fotosintezei nu necesită energie luminoasă. Merge în stroma cloroplastului. Reacțiile sunt prezentate sub forma unui lanț de transformări secvențiale ale aerului din care provine dioxid de carbon. Ca rezultat, se formează glucoză și alte substanțe organice. Prima reacție este fixarea. Ribuloză bifosfat (zahăr cu cinci atomi de carbon) RiBP acționează ca un acceptor de dioxid de carbon. Catalizatorul din reacție este ribuloză bifosfat carboxilază (enzimă). Ca rezultat al carboxilării RiBP, se formează un compus instabil cu șase atomi de carbon. Se descompune aproape instantaneu în două molecule de PGA (acid fosfogliceric). După aceasta, are loc un ciclu de reacții în care se transformă în glucoză prin mai mulți produși intermediari. Ei folosesc energia NADP.H 2 și ATP, care au fost convertite în timpul fazei de lumină a fotosintezei. Ciclul acestor reacții se numește „ciclul Calvin”. Acesta poate fi reprezentat astfel:

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

Pe lângă glucoză, în timpul fotosintezei se formează și alți monomeri ai compușilor organici (complexi). Acestea includ, în special, acizi grași, glicerol, nucleotide de aminoacizi.

Reacții C3

Sunt un tip de fotosinteză care produce compuși cu trei atomi de carbon ca prim produs. Acesta este cel descris mai sus ca ciclul Calvin. Caracteristicile fotosintezei C3 sunt:

1. RiBP este un acceptor pentru dioxid de carbon.
2. Reacția de carboxilare este catalizată de RiBP carboxilază.
3. Se formează o substanță cu șase atomi de carbon, care ulterior se descompune în 2 FHA.

Acidul fosfogliceric este redus la TP (trioză fosfați). Unele dintre ele sunt folosite pentru regenerarea ribulozei bifosfat, iar restul este transformat în glucoză.

Reacții C4

Acest tip de fotosinteză se caracterizează prin apariția compușilor cu patru atomi de carbon ca prim produs. În 1965, s-a descoperit că substanțele C4 apar mai întâi în unele plante. De exemplu, acest lucru a fost stabilit pentru mei, sorg, trestie de zahăr și porumb. Aceste culturi au devenit cunoscute ca plante C4. În anul următor, 1966, Slack și Hatch (oameni de știință australieni) au descoperit că le lipsește aproape complet fotorespirația. De asemenea, s-a constatat că astfel de plante C4 absorb dioxidul de carbon mult mai eficient. Ca urmare, calea de transformare a carbonului în astfel de culturi a început să fie numită calea Hatch-Slack.

Concluzie

Importanța fotosintezei este foarte mare. Datorită acesteia, dioxidul de carbon este absorbit din atmosferă în volume uriașe (miliarde de tone) în fiecare an. În schimb, nu se eliberează mai puțin oxigen. Fotosinteza acționează ca sursă principală de formare compuși organici. Oxigenul este implicat în formarea stratului de ozon, care protejează organismele vii de efectele radiațiilor UV cu unde scurte. În timpul fotosintezei, o frunză absoarbe doar 1% din energia totală a luminii care cade pe ea. Productivitatea sa este de 1 g de compus organic pe 1 sq. m de suprafață pe oră.

Cum să explic pe scurt și clar un proces atât de complex precum fotosinteza? Plantele sunt singurele organisme vii care își pot produce propria hrană. Cum o fac? Pentru creștere și primiți toate substanțele necesare de la mediu: dioxid de carbon - din aer, apa si - din sol. Au nevoie și de energie, pe care o primesc din razele soarelui. Această energie declanșează anumite reacții chimice în timpul cărora dioxidul de carbon și apa sunt transformate în glucoză (hrană) și este fotosinteză. Esența procesului poate fi explicată pe scurt și clar chiar și copiilor de vârstă școlară.

„Împreună cu Lumina”

Cuvântul „fotosinteză” provine din două cuvinte grecești – „foto” și „sinteză”, a căror combinație înseamnă „împreună cu lumina”. Energia solară este transformată în energie chimică. Ecuație chimică fotosinteză:

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

Aceasta înseamnă că sunt folosite 6 molecule de dioxid de carbon și douăsprezece molecule de apă (împreună cu lumina soarelui) pentru a produce glucoză, producând în cele din urmă șase molecule de oxigen și șase molecule de apă. Dacă reprezentați aceasta ca o ecuație verbală, obțineți următoarele:

Apa + soare => glucoza + oxigen + apa.

Soarele este o sursă foarte puternică de energie. Oamenii încearcă întotdeauna să-l folosească pentru a genera electricitate, a izola casele, a încălzi apa și așa mai departe. Plantele și-au dat seama cum să folosească energia solară cu milioane de ani în urmă, deoarece aceasta era necesară pentru supraviețuirea lor. Fotosinteza poate fi explicată pe scurt și clar astfel: plantele folosesc energia luminoasă de la soare și o transformă în energie chimică, al cărei rezultat este zahărul (glucoza), al cărui exces este stocat sub formă de amidon în frunze, rădăcini, tulpini și semințele plantei. Energia soarelui este transferată plantelor, precum și animalelor care mănâncă aceste plante. Atunci când o plantă are nevoie de nutrienți pentru creștere și alte procese de viață, aceste rezerve sunt foarte utile.

Cum absorb plantele energia de la soare?

Vorbind despre fotosinteză pe scurt și clar, merită să abordăm întrebarea cum reușesc plantele să absoarbă energia solară. Acest lucru se întâmplă datorită structurii speciale a frunzelor, care include celule verzi - cloroplaste, care conțin o substanță specială numită clorofilă. Aceasta este ceea ce dă frunzele verdeși este responsabil pentru absorbția energiei din lumina soarelui.

De ce majoritatea frunzelor sunt late și plate?

Fotosinteza are loc în frunzele plantelor. Fapt uimitor este că plantele sunt foarte bine adaptate să capteze lumina soarelui și să absoarbă dioxidul de carbon. Datorită suprafeței largi, va fi captată mult mai multă lumină. Este din acest motiv panouri solare, care sunt uneori instalate pe acoperișurile caselor, sunt de asemenea largi și plate. Cu cât suprafața este mai mare, cu atât absorbția este mai bună.

Ce altceva este important pentru plante?

La fel ca oamenii, plantele au nevoie de nutrienți benefici pentru a rămâne sănătoase, pentru a crește și pentru a-și îndeplini bine funcțiile vitale. Ei obțin minerale dizolvate în apă din sol prin rădăcini. Dacă solului îi lipsesc substanțele nutritive minerale, planta nu se va dezvolta normal. Fermierii testează adesea solul pentru a se asigura că are suficienți nutrienți pentru ca culturile să crească. În caz contrar, apelați la utilizarea îngrășămintelor care conțin minerale esențiale pentru nutriția și creșterea plantelor.

De ce este atât de importantă fotosinteza?

Explicând fotosinteza pe scurt și clar pentru copii, merită să spunem că acest proces este unul dintre cele mai importante reactii chimiceîn lume. Ce motive există pentru o declarație atât de tare? În primul rând, fotosinteza hrănește plantele, care, la rândul lor, hrănesc toate celelalte ființe vii de pe planetă, inclusiv animale și oameni. În al doilea rând, ca rezultat al fotosintezei, oxigenul necesar respirației este eliberat în atmosferă. Toate ființele vii inspiră oxigen și expiră dioxid de carbon. Din fericire, plantele fac opusul, așa că sunt foarte importante pentru oameni și animale, deoarece le oferă capacitatea de a respira.

Proces uimitor

Se dovedește că și plantele știu să respire, dar, spre deosebire de oameni și animale, ele absorb dioxidul de carbon din aer, nu oxigenul. Plantele beau și ele. De aceea trebuie să le udați, altfel vor muri. Cu ajutorul sistemului radicular, apa și nutrienții sunt transportate în toate părțile corpului plantei, iar dioxidul de carbon este absorbit prin mici găuri de pe frunze. Declanșatorul pentru începerea unei reacții chimice este lumina soarelui. Toate produsele metabolice obținute sunt folosite de plante pentru nutriție, oxigenul este eliberat în atmosferă. Acesta este modul în care puteți explica pe scurt și clar cum are loc procesul de fotosinteză.

Fotosinteza: fazele luminoase și întunecate ale fotosintezei

Procesul luat în considerare constă din două părți principale. Există două faze ale fotosintezei (descriere și tabel de mai jos). Prima se numește faza luminoasă. Apare numai în prezența luminii în membranele tilacoide cu participarea clorofilei, a proteinelor de transport de electroni și a enzimei ATP sintetaza. Ce altceva ascunde fotosinteza? Iluminați și înlocuiți-vă reciproc pe măsură ce ziua și noaptea progresează (ciclurile Calvin). În timpul fazei întunecate, are loc producerea aceleiași glucoze, hrană pentru plante. Acest proces se mai numește și reacție independentă de lumină.

Faza de lumină

Faza intunecata

1. Reacțiile care apar în cloroplaste sunt posibile numai în prezența luminii. În aceste reacții, energia luminii este transformată în energie chimică 2. Clorofila și alți pigmenți absorb energie din lumina soarelui. Această energie este transferată către fotosistemele responsabile de fotosinteză 3. Apa este folosită pentru electroni și ioni de hidrogen și este, de asemenea, implicată în producerea de oxigen 4. Electronii și ionii de hidrogen sunt folosiți pentru a crea ATP (moleculă de stocare a energiei), care este necesar în următoarea fază a fotosintezei

1. În stroma cloroplastelor apar reacții de ciclu extraluminos 2. Dioxidul de carbon și energia din ATP sunt folosite sub formă de glucoză

Concluzie

Din toate cele de mai sus se pot trage următoarele concluzii:

• Fotosinteza este un proces care produce energie din soare.
• Energia luminii de la soare este transformată în energie chimică de către clorofilă.
• Clorofila dă plantelor culoarea lor verde.
• Fotosinteza are loc în cloroplastele celulelor frunzelor plantelor.
• Dioxidul de carbon și apa sunt necesare pentru fotosinteză.
• Dioxidul de carbon intră în plantă prin găuri minuscule, stomatele și oxigenul iese prin ele.
• Apa este absorbită în plantă prin rădăcini.
• Fără fotosinteză nu ar exista hrană în lume.

Întrebarea 1. Câtă glucoză este sintetizată în timpul fotosintezei pentru fiecare dintre cele 4 miliarde de locuitori ai Pământului pe an?
Dacă luăm în considerare că întreaga vegetație a planetei produce aproximativ 130.000 de milioane de tone de zaharuri pe an, atunci la un locuitor al Pământului (presupunând că populația Pământului este de 4 miliarde de locuitori) sunt 32,5 milioane de tone (130.000/4 = 32.5).

Întrebarea 2. De unde provine oxigenul eliberat în timpul fotosintezei?
Oxigenul care intră în atmosferă în timpul procesului de fotosinteză se formează în timpul reacției de fotoliză - descompunerea apei sub influența energiei luminii solare (2H 2 O + energia luminii = 2H 2 + O 2).

Întrebarea 3. Care este semnificația fazei luminoase a fotosintezei; faza intunecata?
Fotosinteză este un proces de sinteză materie organică din anorganice sub influența energiei din lumina soarelui.
Fotosinteza în celulele vegetale are loc în cloroplaste. Formula totală:
6CO 2 + 6H 2 O + energie luminoasă = C 6 H 12 O 6 + 6O 2.
Faza luminoasă a fotosintezei are loc numai în lumină: un cuantum de lumină scoate un electron dintr-o moleculă de clorofilă aflată în membrana tilacoidă.; electronul eliminat fie revine înapoi, fie ajunge într-un lanț de enzime care se oxidează reciproc. Un lanț de enzime transferă un electron în exteriorul membranei tilacoide către un transportor de electroni. Membrana este încărcată negativ din exterior. Molecula de clorofilă încărcată pozitiv care se află în centrul membranei oxidează enzimele care conțin ioni de mangan care se află pe partea interioară a membranei. Aceste enzime participă la reacțiile de fotoliză a apei, care au ca rezultat formarea de H +; Protonii de hidrogen sunt eliberați pe suprafața interioară a membranei tilacoide, iar pe această suprafață apare o sarcină pozitivă. Când diferența de potențial de-a lungul membranei tilacoidului atinge 200 mV, protonii încep să curgă prin canalul ATP sintetazei. ATP este sintetizat.
În faza întunecată, glucoza este sintetizată din CO 2 și hidrogenul atomic legat de purtători folosind energia ATP. Sinteza glucozei are loc în stroma cloroplastelor folosind sisteme enzimatice. Reacție totală stadiu întunecat:
6C02 + 24H = C6H12O6 + 6H2O.
Fotosinteza este foarte productivă, dar cloroplastele de frunze captează doar 1 cuantum de lumină din 10.000 pentru a participa la acest proces.

Întrebarea 4. De ce plantele superioare au nevoie de prezența bacteriilor chemosintetice în sol?
Plantele au nevoie de săruri minerale care conțin elemente precum azot, fosfor și potasiu pentru creșterea și dezvoltarea normală. Multe specii de bacterii care sunt capabile să sintetizeze compușii organici de care au nevoie din cei anorganici folosind energia reacțiilor chimice de oxidare care au loc în celulă sunt clasificate ca chimiotrofe. Substanțele captate de bacterie sunt oxidate, iar energia rezultată este utilizată pentru sinteza complexului. molecule organice din CO 2 şi H 2 O. Acest proces se numeşte chimiosinteză.
Cel mai important grup de organisme chimisintetice sunt bacteriile nitrificatoare. Cercetându-i, S.N. Winogradsky a descoperit procesul în 1887 chimiosinteză. Bacteriile nitrificatoare care trăiesc în sol oxidează amoniacul format în timpul descompunerii reziduurilor organice în acid azotic:
2MN3 + ZO2 = 2HNO2 + 2H2O + 635 kJ.
Apoi bacteriile din alte specii din acest grup oxidează acidul azotat în acid azotic:
2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 151,1 kJ.
Interacționând cu mineralele din sol, acizii nitriși și azotici formează săruri, care sunt cele mai importante componente ale nutriției minerale a plantelor superioare. Sub influența altor tipuri de bacterii din sol se formează fosfați, care sunt folosiți și de plantele superioare.
Astfel, chimiosinteză este procesul de sinteză a substanțelor organice din cele anorganice folosind energia reacțiilor chimice de oxidare care au loc în celulă.

- sinteza substanțelor organice din dioxid de carbon și apă cu utilizarea obligatorie a energiei luminoase:

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

La plantele superioare, organul fotosintezei este frunza, iar organelele fotosintezei sunt cloroplastele (structura cloroplastelor - prelegerea nr. 7). Membranele tilacoidelor cloroplastice conțin pigmenți fotosintetici: clorofile și carotenoizi. Sunt mai multe diferite tipuri clorofila ( a, b, c, d), principala este clorofila o. În molecula de clorofilă, se poate distinge un „cap” de porfirină cu un atom de magneziu în centru și o „coadă” de fitol. „Capul” de porfirina este o structură plată, este hidrofilă și, prin urmare, se află pe suprafața membranei care se confruntă cu mediul apos al stromei. „Coada” fitolului este hidrofobă și datorită acestui fapt reține molecula de clorofilă în membrană.

Clorofilele absorb lumina roșie și albastru-violet, reflectă lumina verde și, prin urmare, conferă plantelor culoarea lor verde caracteristică. Moleculele de clorofilă din membranele tilacoide sunt organizate în fotosisteme. Plantele și algele albastre-verzi au fotosistemul-1 și fotosistemul-2, în timp ce bacteriile fotosintetice au fotosistemul-1. Numai fotosistemul-2 poate descompune apa pentru a elibera oxigen și a prelua electroni din hidrogenul apei.

Fotosinteza este un proces complex în mai multe etape; reacțiile de fotosinteză se împart în două grupe: reacții faza luminoasași reacții faza intunecata.

Faza de lumină

Această fază are loc numai în prezența luminii în membranele tilacoide cu participarea clorofilei, a proteinelor de transport de electroni și a enzimei ATP sintetaza. Sub influența unui cuantum de lumină, electronii clorofilei sunt excitați, părăsesc molecula și intră în partea exterioară a membranei tilacoide, care în cele din urmă devine încărcată negativ. Moleculele de clorofilă oxidate sunt reduse, preluând electroni din apa aflată în spațiul intratilacoid. Aceasta duce la descompunerea sau fotoliza apei:

H 2 O + Q lumină → H + + OH - .

Ionii hidroxil renunță la electroni, devenind radicali reactivi.OH:

OH - → .OH + e - .

Radicalii OH se combină pentru a forma apă și oxigen liber:

4NR. → 2H2O + O2.

În acest caz, oxigenul este îndepărtat în mediul extern, iar protonii se acumulează în interiorul tilacoidului în „rezervorul de protoni”. Ca urmare, membrana tilacoidală, pe de o parte, este încărcată pozitiv datorită H +, iar pe de altă parte, datorită electronilor, este încărcată negativ. Când diferența de potențial dintre părțile exterioare și interioare ale membranei tilacoide atinge 200 mV, protonii sunt împinși prin canalele ATP sintetazei și ADP este fosforilat în ATP; Hidrogenul atomic este utilizat pentru a restabili purtătorul specific NADP + (nicotinamidă adenin dinucleotidă fosfat) la NADPH 2:

2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.

Astfel, în faza de lumină are loc fotoliza apei, care este însoțită de trei procese importante: 1) sinteza ATP; 2) formarea NADPH 2; 3) formarea oxigenului. Oxigenul difuzează în atmosferă, ATP și NADPH 2 sunt transportate în stroma cloroplastei și participă la procesele fazei întunecate.

1 - stroma cloroplastică; 2 - tilacoid grana.

Faza intunecata

Această fază are loc în stroma cloroplastului. Reacțiile sale nu necesită energie luminoasă, așa că apar nu numai în lumină, ci și în întuneric. Reacțiile în fază întunecată sunt un lanț de transformări succesive ale dioxidului de carbon (venit din aer), ducând la formarea glucozei și a altor substanțe organice.

Prima reacție din acest lanț este fixarea dioxidului de carbon; Acceptorul de dioxid de carbon este un zahăr cu cinci atomi de carbon. ribuloză bifosfat(RiBF); enzima catalizează reacția Ribulozobifosfat carboxilază(RiBP carboxilază). Ca urmare a carboxilării ribulozei bifosfat, se formează un compus instabil cu șase atomi de carbon, care se descompune imediat în două molecule. acid fosfogliceric(FGK). Apoi are loc un ciclu de reacții în care acidul fosfogliceric este transformat printr-o serie de intermediari în glucoză. Aceste reacții folosesc energia ATP și NADPH 2 formată în faza luminoasă; Ciclul acestor reacții se numește „ciclul Calvin”:

6CO2 + 24H + + ATP → C6H12O6 + 6H2O.

Pe lângă glucoză, în timpul fotosintezei se formează și alți monomeri ai compușilor organici complecși - aminoacizi, glicerol și acizi grași, nucleotide. În prezent, există două tipuri de fotosinteză: C 3 - și C 4 fotosinteză.

C 3-fotosinteză

Acesta este un tip de fotosinteză în care primul produs sunt compuși cu trei atomi de carbon (C3). Fotosinteza C 3 a fost descoperită înainte de fotosinteza C 4 (M. Calvin). Este vorba despre fotosinteza C3 care este descrisă mai sus, la rubrica „Fază întunecată”. Caracteristici C 3-fotosinteză: 1) acceptorul de dioxid de carbon este RiBP, 2) reacția de carboxilare a RiBP este catalizată de RiBP carboxilază, 3) ca urmare a carboxilării RiBP, se formează un compus cu șase atomi de carbon, care se descompune în două PGA . FGK este restaurat la trioză fosfați(TF). O parte din TF este folosită pentru regenerarea RiBP, iar o parte este transformată în glucoză.

1 - cloroplast; 2 - peroxizom; 3 - mitocondriile.

Aceasta este o absorbție dependentă de lumină a oxigenului și eliberarea de dioxid de carbon. La începutul secolului trecut, s-a stabilit că oxigenul suprimă fotosinteza. După cum sa dovedit, pentru RiBP carboxilază substratul poate fi nu numai dioxid de carbon, ci și oxigen:

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

Enzima se numește RiBP oxigenază. Oxigenul este un inhibitor competitiv al fixării dioxidului de carbon. Gruparea fosfat este separată și fosfoglicolatul devine glicolat, pe care planta trebuie să-l folosească. Intră în peroxizomi, unde este oxidat în glicină. Glicina intră în mitocondrii, unde este oxidată la serină, cu pierderea carbonului deja fixat sub formă de CO 2 . Ca rezultat, două molecule de glicolat (2C + 2C) sunt transformate într-un singur PGA (3C) și CO2. Fotorespirația duce la o scădere a randamentului plantelor C3 cu 30-40% ( Cu 3 plante- plante caracterizate prin fotosinteză C 3).

Fotosinteza C 4 este fotosinteza în care primul produs sunt compuși cu patru atomi de carbon (C 4). În 1965, s-a constatat că la unele plante (trestie de zahăr, porumb, sorg, mei) primii produse ale fotosintezei sunt acizii cu patru atomi de carbon. Aceste plante au fost numite Cu 4 plante. În 1966, oamenii de știință australieni Hatch și Slack au arătat că plantele C4 nu au practic fotorespirație și absorb dioxidul de carbon mult mai eficient. Calea transformărilor carbonului în plantele C 4 a început să fie numită de Hatch-Slack.

Plantele C 4 se caracterizează printr-o structură anatomică specială a frunzei. Toate fasciculele vasculare sunt înconjurate de un strat dublu de celule: stratul exterior este reprezentat de celule mezofile, stratul interior este de celule de teacă. Dioxidul de carbon este fixat în citoplasma celulelor mezofile, acceptorul este fosfoenolpiruvat(PEP, 3C), ca urmare a carboxilării PEP, se formează oxalacetat (4C). Procesul este catalizat PEP carboxilază. Spre deosebire de RiBP carboxilaza, PEP carboxilaza are o afinitate mai mare pentru CO2 și, cel mai important, nu interacționează cu O2. Cloroplastele mezofile au multe granule în care au loc activ reacții de fază ușoară. Reacțiile în fază întunecată apar în cloroplastele celulelor învelișului.

Oxaloacetatul (4C) este transformat în malat, care este transportat prin plasmodesme în celulele tecii. Aici este decarboxilat și dehidrogenat pentru a forma piruvat, CO2 și NADPH2.

Piruvatul revine în celulele mezofile și este regenerat folosind energia ATP din PEP. CO2 este din nou fixat de RiBP carboxilază pentru a forma PGA. Regenerarea PEP necesită energie ATP, astfel încât necesarul este aproape dublu mai multa energie decât în ​​timpul fotosintezei C 3.

Sensul fotosintezei

Datorită fotosintezei, miliarde de tone de dioxid de carbon sunt absorbite din atmosferă în fiecare an și sunt eliberate miliarde de tone de oxigen; fotosinteza este principala sursă de formare a substanțelor organice. Oxigenul formează stratul de ozon, care protejează organismele vii de radiațiile ultraviolete cu unde scurte.

În timpul fotosintezei, o frunză verde folosește doar aproximativ 1% din energia solară care cade pe ea, productivitatea este de aproximativ 1 g de materie organică pe 1 m2 de suprafață pe oră.

Chemosinteza

Sinteza compușilor organici din dioxid de carbon și apă, realizată nu datorită energiei luminoase, ci datorită energiei de oxidare substanțe anorganice, numit chimiosinteză. Organismele chemosintetice includ unele tipuri de bacterii.

Bacteriile nitrificatoare amoniacul este oxidat la azot și apoi la acid azotic (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Bacteriile de fier transformă fierul feros în fier oxid (Fe 2+ → Fe 3+).

Bacteriile cu sulf oxidează hidrogenul sulfurat la sulf sau acid sulfuric (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

Ca urmare a reacțiilor de oxidare a substanțelor anorganice, este eliberată energie, care este stocată de bacterii sub formă de legături ATP de înaltă energie. ATP este utilizat pentru sinteza substanțelor organice, care se desfășoară în mod similar cu reacțiile fazei întunecate a fotosintezei.

Bacteriile chemosintetice contribuie la acumularea de minerale în sol, îmbunătățesc fertilitatea solului și promovează curățarea apa reziduala etc.

Du-te la cursurile nr. 11„Conceptul de metabolism. Biosinteza proteinelor"

Du-te la cursurile nr. 13„Metode de diviziune a celulelor eucariote: mitoză, meioză, amitoză”