Основы фотосинтеза – Учебное пособие

Узнайте о фотосинтезе шаг за шагом с помощью этого краткого руководства. Начнем с основ:

 

Краткий обзор основных концепций фотосинтеза

• У растений фотосинтез используется для преобразования световой энергии солнечного света в химическую энергию (глюкозу). Углекислый газ, вода и свет используются для производства глюкозы и кислорода.
• Фотосинтез – это не отдельная химическая реакция, а набор химических реакций. Общая реакция такова:
  6CO₂ + 6H₂O + свет → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
• Реакции фотосинтеза можно разделить на светозависимые и темновые реакции.
• Хлорофилл – ключевая молекула для фотосинтеза, хотя другие пигменты картеноида также участвуют. Существует четыре (4) типа хлорофилла: a, b, c и d. Хотя мы обычно думаем, что растения имеют хлорофилл и осуществляют фотосинтез, многие микроорганизмы используют эту молекулу, в том числе некоторые прокариотические клетки. У растений хлорофилл находится в особой структуре, которая называется хлоропластом.
• Реакции фотосинтеза происходят в разных областях хлоропласта. Хлоропласт имеет три мембраны (внутреннюю, внешнюю, тилакоидную) и разделен на три отсека (строма, тилакоидное пространство, межмембранное пространство). В строме возникают темновые реакции. На тилакоидных мембранах протекают световые реакции.
• Существует несколько форм фотосинтеза. Кроме того, другие организмы преобразуют энергию в пищу, используя нефотосинтетические реакции (например, литотрофные и метаногеновые бактерии).
  Продукты фотосинтеза

Этапы фотосинтеза

Вот краткое изложение шагов, используемых растениями и другими организмами для использования солнечной энергии при производстве химической энергии:

1. У растений фотосинтез обычно происходит в листьях. Здесь растения могут получить сырье для фотосинтеза в одном удобном месте. Углекислый газ и кислород входят/выходят из листьев через поры, называемые устьицами. Вода поступает к листьям от корней по сосудистой системе. Хлорофилл в хлоропластах клеток листа поглощает солнечный свет.
2. Процесс фотосинтеза делится на две основные части: светозависимые реакции и светонезависимые или темновые реакции. Светозависимая реакция происходит, когда солнечная энергия улавливается для образования молекулы под названием АТФ (аденозинтрифосфат). Темновая реакция происходит, когда АТФ используется для производства глюкозы (цикл Кальвина).
3. Хлорофилл и другие каротиноиды образуют так называемые антенные комплексы. Антенные комплексы передают световую энергию одному из двух типов фотохимических реакционных центров: P700, который является частью Фотосистемы I, или P680, который является частью Фотосистемы II. Фотохимические реакционные центры расположены на тилакоидной мембране хлоропласта. Возбужденные электроны передаются акцепторам электронов, оставляя реакционный центр в окисленном состоянии.
4. Светонезависимые реакции производят углеводы с использованием АТФ и НАДФН, которые образовались в результате светозависимых реакций.

Фотосинтез Световые реакции

Не все длины волн света поглощаются во время фотосинтеза. Зеленый, цвет большинства растений, на самом деле является цветом, который отражается. Поглощаемый свет расщепляет воду на водород и кислород:

H₂O + световая энергия → ½ O₂ + 2H+ + 2 электрона

1. Возбужденные электроны из Фотосистемы I могут использовать цепь переноса электронов для восстановления окисленного P700. Это устанавливает протонный градиент, который может генерировать АТФ. Конечным результатом этого зацикленного электронного потока, называемого циклическим фосфорилированием, является образование АТФ и P700.
2. Возбужденные электроны из Фотосистемы I могут течь по другой цепи переноса электронов с образованием НАДФН, который используется для синтеза карбогидратов. Это нециклический путь, по которому P700 восстанавливается электроном, выведенным из Фотосистемы II.
3. Возбужденный электрон из Фотосистемы II течет вниз по цепи переноса электронов от возбужденного P680 к окисленной форме P700, создавая протонный градиент между стромой и тилакоидами, который генерирует АТФ. Конечный результат этой реакции называется нециклическим фотофосфорилированием.
4. Вода вносит электрон, необходимый для регенерации восстановленного P680. Для восстановления каждой молекулы НАДФ+ до НАДФН используются два электрона и четыре фотона. Образуются две молекулы АТФ.

Фотосинтез Темновые реакции

Темновые реакции не требуют света, но он и им не препятствует. У большинства растений темновая реакция происходит в дневное время. Темновая реакция происходит в строме хлоропласта. Эта реакция называется углеродной фиксацией или циклом Кальвина. В этой реакции углекислый газ превращается в сахар с использованием АТФ и НАДФН. Двуокись углерода соединяется с 5-углеродным сахаром с образованием 6-углеродного сахара. 6-углеродный сахар расщеплен на две молекулы сахара, глюкозу и фруктозу, которые можно использовать для производства сахарозы. Для реакции требуется 72 фотона света.

Эффективность фотосинтеза ограничена факторами окружающей среды, включая свет, воду и углекислый газ. В жаркую или сухую погоду растения могут закрывать устьица для экономии воды. Когда устьица закрыты, у растений может начаться светодыхание. Растения, называемые растениями C4, поддерживают высокий уровень углекислого газа в клетках, вырабатывающих глюкозу, чтобы избежать фотодыхания. C4-растения производят углеводы более эффективно, чем обычные C3-растения, при условии, что количество углекислого газа ограничено и достаточно света для поддержки реакции. При умеренных температурах на растения ложится слишком много энергии, чтобы стратегия C4 была оправданной (названы 3 и 4 из-за количества атомов углерода в промежуточной реакции). Растения C4 хорошо себя чувствуют в жарком и сухом климате.

Вот несколько вопросов, которые вы можете задать себе, чтобы определить, действительно ли вы понимаете основы того, как работает фотосинтез.

1. Определение фотосинтеза.
2. Какие материалы необходимы для фотосинтеза? Что производится?
3. Напишите общую реакцию для фотосинтеза.
4. Опишите, что происходит во время циклического фосфорилирования фотосистемы I. Как перенос электронов приводит к синтезу АТФ?
5. Опишите реакции связывания углерода или цикл Кальвина. Какой фермент катализирует реакцию? Каковы продукты реакции?