Фотосинтез – это набор химических реакций, выполняемых растениями для преобразования энергии солнца в химическую энергию в виде сахара. В частности, растения используют энергию солнечного света для реакции углекислого газа и воды с образованием сахара (глюкозы) и кислорода. Происходит множество реакций, но общая химическая реакция фотосинтеза:
- 6 CO2 + 6 H2O + свет → C6H12O6 + 6 O2
- Двуокись углерода + вода + свет дает глюкозу + кислород
В растения углекислый газ поступает через устьица листьев путем диффузии. Вода всасывается корнями и транспортируется к листьям через ксилему. Солнечная энергия поглощается хлорофиллом в листьях. Реакции фотосинтеза происходят в хлоропластах растений. У фотосинтезирующих бактерий процесс происходит там, где хлорофилл или связанный с ним пигмент внедряется в плазматическую мембрану. Кислород и вода, образующиеся при фотосинтезе, выходят через устьица.
Ключевые выводы
- При фотосинтезе энергия света используется для преобразования углекислого газа и воды в глюкозу и кислород.
- Из 6 молекул углекислого газа и 6 молекул воды производится 1 молекула глюкозы и 6 молекул кислорода.
На самом деле растения оставляют очень мало глюкозы для немедленного использования. Молекулы глюкозы объединяются путем дегидратационного синтеза с образованием целлюлозы, которая используется в качестве структурного материала. Синтез дегидратации также используется для преобразования глюкозы в крахмал, который растения используют для хранения энергии.
Промежуточные продукты фотосинтеза
Общее химическое уравнение представляет собой сводку серии химических реакций. Эти реакции протекают в два этапа. Световые реакции требуют света (как вы можете себе представить), в то время как темновые реакции контролируются ферментами. Они не требуют наступления темноты – они просто не зависят от света.
Световые реакции поглощают свет и используют энергию для передачи электронов. Большинство фотосинтезирующих организмов улавливают видимый свет, хотя некоторые используют инфракрасный свет. Продуктами этих реакций являются аденозинтрифосфат (АТФ) и восстановленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН). В клетках растений светозависимые реакции происходят в тилакоидной мембране хлоропластов. Общая реакция для светозависимых реакций:
- 2 H2O + 2 NADP+ + 3 ADP + 3 Pi + свет → 2 NADPH + 2 H+ + 3 ATP + O2
В темноте АТФ (ATP) и НАДФН (NADPH) в конечном итоге восстанавливают углекислый газ и другие молекулы. Углекислый газ из воздуха «фиксируется» в биологически пригодной для использования форме – глюкозе. У растений, водорослей и цианобактерий темновые реакции называются циклом Кальвина. Бактерии могут использовать разные реакции, в том числе обратный цикл Кребса. Общая реакция на светонезависимую реакцию растения (цикл Кальвина):
- 3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH + 6 H+ → C3H6O3-фосфат + 9 ADP + 8 Pi + 6 NADP+ + 3 H2O
Во время фиксации углерода трехуглеродный продукт цикла Кальвина превращается в конечный углеводный продукт.
Факторы, влияющие на скорость фотосинтеза
Как и в случае любой химической реакции, наличие реагентов определяет количество продуктов, которые могут быть получены. Ограничение доступности углекислого газа или воды замедляет производство глюкозы и кислорода. Кроме того, на скорость реакций влияют температура и наличие минералов, которые могут потребоваться в промежуточных реакциях.
Общее состояние здоровья растения (или другого фотосинтезирующего организма) также играет роль. Скорость метаболических реакций частично определяется зрелостью организма, цветением или плодоношением.
Что не является продуктом фотосинтеза?
Если на тесте вас спросят о фотосинтезе, вас могут попросить определить продукты реакции. Это довольно просто, правда? Другой вариант вопроса – спросить, что не является продуктом фотосинтеза. К сожалению, это не будет вопросом, на который можно было бы легко ответить «железо», «машина» или «солнышко». Обычно это вопрос с несколькими вариантами ответов, в котором перечислены молекулы, которые являются реагентами или продуктами фотосинтеза. Ответ – любой выбор, кроме глюкозы или кислорода. Вопрос может быть сформулирован по-другому, что не является продуктом световых или темновых реакций. Поэтому, неплохо знать общие реагенты и продукты для общего уравнения фотосинтеза, световых реакций и темновых реакций.