Fotosynteesi - mikä se on? vaihe fotosynteesi. Ehdot fotosynteesin

Oletko koskaan miettinyt kuinka paljon eläviä organismeja planeetalla?! Ja loppujen lopuksi kaikkien täytyy hengittää happea energian tuottamiseksi ja hiilidioksidin hengittämiseksi. Se on hiilidioksidi - tärkein syy tällaiseen ilmiöön, kuten huoneen tukkeutuminen. Se tapahtuu, kun siinä on paljon ihmisiä, eikä huone ole tuuletettu pitkään aikaan. Lisäksi myrkyllisiä aineita täytetään ilmantuotantolaitoksilla, yksityisellä tiellä ja joukkoliikenteellä.

Edellä esitetyn perusteella syntyy melko looginen kysymys: kuinka me emme ole vielä tukossa, jos kaikki elämä on myrkyllisen hiilidioksidin lähde? Kaiken elävän olennon pelastaja tässä tilanteessa on fotosynteesi. Mikä on tämä prosessi ja mikä on sen välttämättömyys?

Sen tuloksena on hiilidioksidin ja ilman tyydyttymisen hapen tasapainottaminen. Tällainen prosessi tunnetaan vain kasviston maailmassa, eli kasveille, koska se esiintyy vain niiden soluissa.

Itse sinänsä fotosynteesi on äärimmäisen monimutkainen prosessi, joka riippuu tietyistä olosuhteista ja esiintyy useissa vaiheissa.

Määritelmä käsite

Tieteellisen määritelmän mukaan orgaaniset aineet fotosynteesin prosessissa muuttuvat orgaanisiksi solutasolla autotrofisissa organismeissa auringonvalon vaikutuksesta johtuen.

Ymmärrettävämmällä kielellä, fotosynteesi on prosessi, jossa seuraavat tapahtuu:

1. Kasvi on kyllästynyt kosteudella. Kosteuden lähde voi olla vettä maasta tai kostea trooppinen ilma.
2. On klorofylli (kasvihuoneessa oleva erityinen aine) reaktio aurinkoenergian vaikutuksesta.
3. Elintarvikevalmistajien, joita he eivät pysty tuottamaan itsenäisesti, tarvitsevat elintarvikkeet ovat heterotrooppisia, ja he itse ovat sen tuottajia. Toisin sanoen kasvit syövät mitä ne tuottavat itse. Tämä on seurausta fotosynteesistä.

Ensimmäinen vaihe

Lähes jokainen kasvi sisältää vihreää ainetta, jonka kautta se voi absorboida valoa. Tämä aine on vain klorofylli. Hänen olinpaikkansa ovat kloroplastit. Mutta kloroplastit sijaitsevat kasvin varsiosassa ja sen hedelmissä. Levyn fotosynteesi on kuitenkin luonteeltaan yleistä. Koska jälkimmäinen on rakenteeltaan melko yksinkertainen ja sillä on suhteellisen suuri pinta, mikä tarkoittaa, että vapaana olevan energian määrä on paljon suurempi.

Kun klorofylli absorboi valoa, jälkimmäinen on herätteen tilassa ja lähettää sen energiaviestejä kasvien muille orgaanisille molekyyleille. Suurin osa tästä energiasta menee osallistumaan fotosynteesin prosessiin.

Vaihe kaksi

Fotosynteesin muodostuminen toisessa vaiheessa ei edellytä valon pakollista osallistumista. Se koostuu kemiallisten sidosten muodostumisesta käyttäen myrkyllistä hiilidioksidia, joka muodostuu ilmamassoista ja vedestä. Lisäksi syntetisoidaan useita aineita, jotka varmistavat kasviston edustajien elintärkeän toiminnan. Tällaisia ovat tärkkelys, glukoosi.

Kasveissa tällaiset orgaaniset elementit toimivat ravinnonlähteenä kasvien yksittäisille osille samalla kun varmistetaan tavanomainen elinkaari. Tällaisia aineita saadaan ja eläimiä edustavat eläimet, jotka syövät kasveja elintarvikkeisiin. Ihmiskeho on kyllästynyt näillä aineilla ruoan kautta, joka sisältyy päivittäiseen ruokavalioon.

Mitä? Missä? Milloin?

Orgaanisille orgaanisille aineille on välttämätöntä varmistaa sopivat olosuhteet fotosynteesille. Tarkasteltavana olevaan prosessiin tarvitaan ensin valoa. Se on keinotekoista ja auringonvaloa. Luonnossa tavallisesti kasvien aktiivisuus on tyypillistä voimakkuudelle keväällä ja kesällä eli silloin, kun tarvitaan paljon aurinkoenergiaa. Mitä ei voida sanoa syksykaudesta, kun vähemmän valoa on, päivä on lyhyempi. Tämän seurauksena lehdet muuttuvat keltaiseksi, ja sitten ne laskeutuvat kokonaan. Mutta heti, kun auringon ensimmäiset kevättulokset loistavat, vihreä ruoho nousee, sitten klorofylli jatkaa toimintaansa ja aloittaa hapon ja muiden ravintoaineiden aktiivinen tuotanto, jotka ovat elintärkeitä.

Fotosynteesin olosuhteisiin kuuluu paitsi valaistuksen läsnäolo. Myös kosteuden pitäisi olla tarpeeksi. Loppujen lopuksi kasvi imee ensin kosteuden, ja sitten reaktio alkaa aurinkoenergian mukana. Tämän prosessin tuloksena ovat kasvien elintarvikkeet.

Vihreän aineen läsnäollessa tapahtuu fotosynteesi. Mikä on klorofylli, josta me olemme jo kertoneet. Ne toimivat jonkinlaisena johtajana valon tai aurinkoenergian ja itse kasvin välillä varmistaen elämän ja toiminnan asianmukainen kulku. Vihreillä aineilla on kyky imeä paljon auringonvaloa.

Happiillä on tärkeä rooli. Jotta fotosynteesi onnistuu, kasvit tarvitsevat paljon, koska se sisältää vain 0,03% hiilihappoa. Näin ollen 6 000 m ^{3: sta} ilmaa voidaan saada 6 m ³ happoa. Se on jälkimmäinen aine - glukoosin pääasiallinen lähdemateriaali, joka vuorostaan on elintärkeä aine.

On kaksi vaiheessa fotosynteesi. Ensimmäinen on kevyt, toinen on tumma.

Mikä on valon vaiheen virtauksen mekanismi

Valosynteesillä on toinen nimi - valokemiallinen. Tärkeimmät osanottajat tässä vaiheessa ovat:

• Auringon energia;
• Erilaisia pigmenttejä.

Ensimmäisen komponentin kanssa kaikki on selvää, tämä on auringonvaloa. Ja juuri pigmentit ovat, eivät kaikki osaa. Ne ovat vihreitä, keltaisia, punaisia tai sinisiä. Vihreisiin kuuluvat klorofylliryhmät "A" ja "B", keltaiset ja punaiset / siniset - phycobilit vastaavasti. Valokemiallinen aktiivisuus prosessin tämän vaiheen osanottajien kesken ilmaantuu vain klorofyllien "A" avulla. Loppu kuuluu täydentäväksi rooliksi, jonka ydin on valokvanttien kokoaminen ja niiden kuljettaminen valokemialliseen keskukseen.

Koska klorofylli on kyky absorboida aurinkovoimaa tehokkaasti tietyllä aallonpituudella, seuraavat fotokemialliset järjestelmät tunnistettiin:

- valokemiallinen keskus 1 ("A" vihreät aineet) - koostumus sisältää pigmenttiä 700, absorboivat valonsäteet, joiden pituus on noin 700 nm. Tällä pigmentillä on perustavanlaatuinen rooli fotosynteesin vaaleiden tuotteiden luomisessa.

- Valokemiallinen keskus 2 ("ryhmän B" vihreät aineet) - koostumus sisältää pigmenttiä 680, joka absorboi valonsäteitä, joiden pituus on 680 nm. Hän omistaa toisen suunnitelman, joka koostuu fotokemiallisen keskuksen 1 menetetyistä elektronien täydennyksestä. Se saavutetaan nesteen hydrolyysin takia.

350 - 400 molekyyliä pigmenttejä, jotka keskittävät valovirtoja valojärjestelmissä 1 ja 2, on vain yksi pigmenttimolekyyli, joka on aktiivisen valokemiallisen klorofyllin ryhmä "A".

Mitä tapahtuu?

1. Tehtaan absorboima valoenergia vaikuttaa siihen sisältyvään pigmenttiin 700, joka kulkee normaalista tilasta herätustilaan. Pigmentti menettää elektronin, jolloin muodostuu ns. Elektroninreikä. Lisäksi pigmenttimolekyyli, joka on menettänyt elektronin, voi toimia sen vastaanottajana, eli puolueena, joka vastaanottaa elektronin ja palauttaa sen muodon.

2. Nesteen hajoamismenetelmä fotosysteemin valoa absorboivan pigmentin 680 valokemiallisessa keskuksessa 2. Kun vesi hajoaa, muodostuu elektronit, jotka alun perin hyväksytään aineella, kuten sytokromi C550, ja ne on merkitty kirjaimella Q. Sitten sytokromista elektronit tulevat vektoriin ja kuljetetaan valokemialliseen keskustaan 1 Elektronin reiän täyttö, joka oli seurausta valokvantin tunkeutumisesta ja pigmentin 700 jälleenrakentamisprosessista.

On olemassa tapauksia, joissa tällainen molekyyli saa takaisin samanlaisen elektronin. Tämä johtaa valon energian vapautumiseen lämmön muodossa. Mutta melkein aina elektroni, jolla on negatiivinen varaus kytkeytyy erityisiin rauta-rikki-proteiineihin ja kuljetetaan yhtä ketjua pitkin pigmenttiin 700 tai putoaa toiseen vektori- ketjuun ja yhdistetään uudelleen vakioakseptorilla.

Ensimmäisessä variantissa tapahtuu suljetun tyypin elektronin syklinen kuljetus, kun taas toisessa tapauksessa tapahtuu ei-syklinen kuljetus.

Molemmat menetelmät kuuluvat samaan elektronikantajien ketjuun katalyytin alla olevan fotosynteesin ensimmäisessä vaiheessa. Mutta on syytä huomata, että syklisen tyyppisen syklofosforylaation ollessa alkulähde ja samalla viimeinen kuljetuskohta on chlophyll, kun taas ei-syklinen kuljetus merkitsee ryhmän "B" vihreän aineen siirtymistä klorofylliin "A".

Syklisen kuljetuksen ominaisuudet

Syklisen fosforylaation kutsutaan myös fotosynteettiseksi. Tämän prosessin tuloksena muodostuu ATP-molekyylejä. Tämä kuljetus perustuu palaamiseen useiden peräkkäisten elektronisten vaiheiden läpi viritetyssä tilassa pigmenttiin 700, jolloin vapautuu fosforiloituva entsyymijärjestelmään osallistuva energia ATP: n fosfaattisidosten edelleen kertymiseksi. Toisin sanoen energia ei hajota.

Syklinen fosforylaatio on fotosynteesin ensisijainen reaktio, joka perustuu kemiallisen energian muodostumiseen liittyvästä teknologiasta klooroplasti-tilaktoidin membraanipinnoilla aurinkoenergian käytön seurauksena.

Ilman fotosynteettistä fosforylaatiota, assimilaatioreaktiot fotosynteesin tummassa vaiheessa ovat mahdottomia.

Ei-syklisen tyyppisiä kuljetuksia

Prosessi koostuu NADP +: n palautumisesta ja NADP * H: n muodostumisesta. Mekanismi perustuu elektronin siirtoon ferredoksiinille, sen pelkistysreaktiolle ja sen jälkeen siirtymiselle NADP +: een edelleen vähentämällä NADP * H: lle.

Tämän seurauksena elektronit, jotka menettivät pigmentin 700, täydentävät veden elektronit, jotka hajoavat fotosysteemin valonsäteiden alle 2.

Elektronien ei-syklinen polku, jonka virtaus merkitsee myös valon fotosynteesiä, toteutetaan molempien valojärjestelmien vuorovaikutuksen kautta ja niiden sähköiset kuljetusketjut yhdistävät ne. Valoenergia ohjaa elektronien virtaa takaisin. Kuljetettaessa valokemiallisesta keskuksesta 1 keskustaan 2 elektronit menettävät jonkin verran energiaansa johtuen kertymisestä protonipotentiaalina tilaktoidin kalvopinnalle.

Fotosynteesin tummassa vaiheessa protonityyppisen potentiaalin muodostamisprosessi elektronikuljetusketjussa ja sen toiminta ATP: n muodostumisessa kloroplaseissa on lähes täysin identtinen saman prosessin kanssa mitokondrioissa. Mutta ominaisuudet ovat edelleen läsnä. Tylaktoidit tässä tilanteessa ovat mitokondrioista kääntyneet väärällä puolella. Tämä on tärkein syy siihen, että elektronit ja protonit kulkevat kalvon läpi vastakkaiseen suuntaan suhteessa kuljetuksen virtaukseen mitokondriomembraanissa. Elektronit kuljetetaan ulkopuolelle ja protonit kerääntyvät tilaktoidimatriisin sisäosaan. Jälkimmäinen ottaa vain positiivisen varauksen ja tilaktoidin ulompi kalvo on negatiivinen. Tästä seuraa, että protonityyppisen gradientin polku on sen polun vastakohta mitokondrioissa.

Seuraava ominaisuus on suuri pH-arvo protonien potentiaalissa.

Kolmas piirre on läsnäolo vain kahdella konjugaatiokohtien tilaktoidiketjussa ja sen seurauksena ATP-molekyylin suhde protonien suhteeseen on 1: 3.

johtopäätös

Ensimmäisessä vaiheessa fotosynteesi on valoenergian (keinotekoinen ja ei-keinotekoinen) vuorovaikutus kasvin kanssa. Reagoi vihreiden aineiden - klorofyllien säteisiin, joista suurin osa on lehtiä.

Tämä reaktio on ATP: n ja NADP * H: n muodostuminen. Nämä tuotteet ovat välttämättömiä tummien reaktioiden kulkuun. Siksi valoaste on pakollinen prosessi, ilman että toinen vaihe ei tapahdu - tumma.

Tumma vaihe: olemus ja ominaisuudet

Tumma fotosynteesi ja sen reaktiot ovat hiilidioksidiprosessia orgaanisista originaaleista hiilihydraattien tuottamisella. Tällaisia reaktioita esiintyy klooroplastien stromassa ja fotosynteesin ensimmäisen vaiheen tuotteet, kevyt, osallistuvat aktiivisesti niihin.

Fotosynteesin pimeän vaiheen mekanismi perustuu hiilidioksidin (kutsutaan myös valokemialliseksi karboksylaatioksi, Calvin-sykli) assimilaatioprosessiin, jolle on ominaista syklisyys. Se koostuu kolmesta vaiheesta:

1. Karboksylointi on CO: n lisäämistä.
2. Palautusvaihe.
3. Ribulosodifosfaatin regeneroinnin vaihe.

Ribuloosifosfaatti, joka on viisi hiiliatomia sisältävä sokeri, soveltuu ATP: n fosforylaatioon, mikä johtaa ribulosodifosfaatin muodostumiseen, joka edelleen altistetaan karboksylaatiolle yhdistämällä hiilidioksidituotteen kanssa kuusi hiiltä, jotka hajoavat välittömästi reagoimalla vesimolekyylin kanssa muodostaen kaksi fosfoglyserolin molekyylihappohiukkasia . Tällöin tämä happo läpäisee täydellisen elvytyskurssin suoritettaessa entsymaattista reaktiota, jolle ATP: n ja NADPH: n läsnäolo on välttämätöntä sokerin muodostamiseksi kolmella hiilellä - fosfoglyserolin kolme hiilikuituinen sokeri, triosi tai aldehydi. Kun kaksi tällaista triosta tiivistyy, saadaan heksoosimolekyyli, joka voi olla erottamaton osa tärkkelysmolekyyliä ja debugoitu varaukseksi.

Tämä vaihe täydentää se, että fotosynteesimenettelyn aikana absorboidaan yksi CO ₂ -molekyyli ja käytetään kolmea ATP-molekyyliä ja neljä N-atomia. Heksoosifosfaatti reagoi pentososfaattisyklin reaktioihin, minkä seurauksena tapahtuu ribuloosifosfaatin regenerointi, joka voidaan jälleen yhdistää toisen hiilihapon molekyylin kanssa.

Karboksyloinnin, pelkistyksen, regeneroinnin reaktioita ei voida kutsua spesifiseksi vain solulle, jossa fotosynteesi tapahtuu. Prosessien "yhtenäistä" virtausta ei myöskään voida sanoa, koska ero on edelleen olemassa - hyödyntämisprosessissa käytetään NADP * H: ta, ei NAD * N.

CO _{2: n} lisääminen ribulosodifosfaatilla läpikäy ribulosidifosfaattikarboksylaasin aikaansaama katalyysi. Reaktiotuote on 3-fosfoglyseraatti, jota NADP * H2 ja ATP vähentävät glyseraldehydi-3-fosfaatiksi. Pelkistysprosessi katalysoi glyseraldehydi-3-fosfaattidehydrogenaasi. Jälkimmäinen muunnetaan helposti dihydroksiasetonifosfaatiksi. Fruktoosi-bisfosfaattia muodostuu. Jotkut sen molekyylit osallistuvat ribulosodifosfaatin regenerointiprosessiin, sulkemalla syklin, ja toista osaa käytetään hiilihydraattikauppojen luomiseen fotosynteettisiin soluihin eli hiilihydraattien fotosynteesiin.

Valon energia on välttämätön fosforylaation ja orgaanisen alkuperän synteesin kannalta, ja orgaanisten aineiden hapettamisen energia on välttämätöntä oksidatiiviselle fosforylaatiolle. Siksi kasvillisuus tuottaa elämää eläimille ja muille heterotrooppisille organismeille.

Kasvinsoluissa fotosynteesi tapahtuu tällä tavoin. Sen tuote on hiilihydraatteja, jotka ovat välttämättömiä monien sellaisten aineiden muodostamiseksi, jotka edustavat maailman kasvillisuuden edustajia, jotka ovat orgaanisia alkuperää.

Orgaanisen typen aineet imeytyvät tyyppi fotosynteesin organismien vähentämiseen epäorgaanisen nitraatin, ja rikki - pienenemisen takia sulfaattien ja sulfhydryyliryhmien aminohappoja. Säädetään muodostumista proteiinien, nukleiinihappojen, lipideistä, hiilihydraateista, kofaktorit on fotosynteesi. Mikä on "lautasella" aineiden elintärkeää Voimalaitos on jo korostettu, mutta toissijainen synteesiin tuotteita, jotka ovat arvokkaita lääkeaineiden (flavonoidit, alkaloideja, terpeenit, polyfenolit, steroidit, orgkisloty ja muut), ei sanaakaan sanottiin. Siksi ei ole liioiteltua sanoa, että fotosynteesin - avain kasvien elämälle, eläimiin ja ihmisiin.