Фотосинтез 9 класс

Фотосинтез у растений
Фотосинтез — процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов.

Лист как орган фотосинтеза
Углекислый газ, который усваивается в процессе фотосинтеза, поступает в лист через устьица. К верхней стороне листа прилегает палисадная ткань, клетки которой богаты хлоропластом. Чтобы процесс фотосинтеза проходил непрерывно, клетки должны быть достаточно насыщенны водой, устьица регулируют этот процесс.
Строение листа растения.
1 — клетки верхнего эпидермиса; 2 — клетки нижнего эпидермиса; 3 — клетки столбчатой паренхимы; 4 — клетки губчатой паренхимы; 5 — замыкающие клетки устьиц, щель между каждой их парой — просвет устьица; 6 — кутикула, покрывающая слой как верхнего, так и нижнего эпидермиса; 7 — межклеточные пространства.

Хлоропласты
Хлоропласты (от греч. chlorós — зелёный и plastós — вылепленный, образованный), внутриклеточные органеллы растительной клетки — пластиды, в которых осуществляется фотосинтез. Окрашены в зелёный цвет благодаря присутствию в них основного пигмента фотосинтеза — хлорофилла. Основная функция Хлоропластов улавливание и преобразование световой энергии,

Основные классы фотосинтетических пигментов
Хлорофиллы
Каротиноиды
Фикобилины

Хлорофиллы
тетрапирролы, образующие циклическую структуру хлорофилла (магний-порфирины)
Хлорофи́лл (от греч. chloros - зеленый и phyllon -лист) — зелёный пигмент, обусловливающий окраску растений в зелёный цвет. При его участии осуществляется процесс фотосинтеза. По химическому строению хлорофиллы — магниевые комплексы различных тетрапирролов. Хлорофиллы имеют порфириновое строение и структурно близки гему.

Каротиноиды
Каротиноиды - природные органические пигменты фотосинтезируемые бактериями, грибами, водорослями и высшими растениями. Идентифицировано около 600 каротиноидов. Они имеют преимущественно жёлтый, оранжевый или красный цвет, по строению это циклические или ациклические изопреноиды.
Каротины включают две основных группы структурно близких веществ:
каротины
ксантофиллы
и другие растворимые в жирах пигменты.

Каротины
Каротин (от лат. carota — морковь) — желто-оранжевый пигмент, непредельный углеводород из группы каротиноидов.
Эмпирическая формула С40H56. Нерастворим в воде, но растворяется в органических растворителях. Содержится в листьях всех растений, а также в корне моркови, плодах шиповника и др. Является провитамином витамина А. Зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е160a.
Различают две формы каротина α-каротин и β-каротин. β-каротин встречается в желтых, оранжевых и зеленых листьях фруктов и овощей. Например в шпинате, салате, томатах, батате и других.
α-каротин
β-каротин

Ксантофилл
Ксантофи́лл — растительный пигмент, кристаллизуется в призматических кристаллах жёлтого цвета, входит в состав хлорофилла; легко уединяется при встряхивании спиртового раствора хлорофилла с бензином, оставаясь в нижнем, спиртовом слое, между тем как зелёный пигмент и жёлтый — каротин — переходят в бензин. В спектре поглощения ксантофилла характерны три полосы поглощения в сине-фиолетовой части.

Фикобилины
Открытые тетрапиррольные структуры
Фикобилины (от греч. phýkos – водоросль и лат. bilis – жёлчь), пигменты красных и синезелёных водорослей (фикоэритрины – красные, фикоцианины – синие); белки из группы хромопротеидов, в состав небелковой части которых входят хромофоры билины – аналоги жёлчных кислот. Маскируют цвет основного пигмента фотосинтеза – хлорофилла. Выделены в кристаллическом виде. Аминокислоты в Ф. составляют 85%, углеводы – 5%, хромофоры – 4–5%. Общее содержание Ф. в водорослях достигает 20% (на сухую массу). Локализованы Ф. в клетке в особых частицах – фикобилисомах. Поглощают кванты света в жёлто-зелёной области спектра. Участвуют в фотосинтезе в качестве сопровождающих пигментов, доставляя поглощённую энергию света к фотохимически активным молекулам хлорофилла. Нередко Ф. называют небелковую (хромофорную) часть этих пигментов.

Флавоноидные пигменты
Флавоноиды — наиболее многочисленная группа как водорастворимых, так и липофильных природных фенольных соединений. Представляют собой гетероциклические кислородсодержащие соединения преимущественно желтого, оранжевого, красного цвета. Они принадлежат к соединениям С6-С3-С6 ряда — в их молекулах имеются два бензольных ядра, соединенных друг с другом трехуглеродным фрагментом. Большинство флавоноидов можно рассматривать как производные хромана или флавона. Флавоноиды играют важную роль в растительном метаболизме и очень широко распространены в высших растениях. Они принимают участие в фотосинтезе, образовании лигнина и суберина.
Структура флавонов

Световые и темновые реакции фотосинтеза
Фотосинтез протекает в две фазы: световую, идущую только на свету, и темновую, которая идет как в темноте, так и на свету.

Из схемы видно, что энергия света обеспечивает: 1) синтез АТФ; 2) восстановление НАДФ в НАДФН; 3) фотолиз воды, который поставляет электроны для фотосистем I и II; 4) фотолиз воды ведет также к образованию кислорода, который не используется в фотосинтезе (но в отсутствие света служит для окисления органических веществ - углеводов, жиров). В этом основной результат световой фазы фотосинтеза. В темновой фазе фотосинтеза за счет энергии АТФ и восстанавливающей силы НАДФ-Н из углекислого газа (CO2) атмосферы синтезируется глюкоза. Эти процессы также идут при освещении растений, но могут происходить и в темноте, если в клетки вводят АТФ и НАДФН. По этой причине описанный этап фотосинтеза назван темновой фазой. Вверху (слева направо): клетки листа (выделено кружочком), хлоропласт с гранами, хлорофилл в гранах.

Световые и темновые реакции
Световые реакции:
Зависят от света
Не зависят от температуры
Быстрые < 10 (-5) сек
Протекают на мембранах
Темновые реакции:
Не зависят от света
Зависят от температуры
Медленные ~ 10 (-2) сек
Протекают в строме Хл

Световая фаза фотосинтеза
Световая фаза фотосинтеза осуществляется в хлоропластах, где на мембранах расположены молекулы хлорофилла. Хлорофилл поглощает энергию солнечного света. Эта энергия используется на синтез молекул АТФ из АДФ и фосфорной кислоты и способствуют расщеплению молекул воды: 2H20=4H++4+O2. Образующийся при этом кислород выделяется в окружающую среду. В результате фотолиза образуются:
Электроны, заполняющие "дырки" в молекулах хлорофилла.
Протоны H+, которые соединяются с веществом НАДФ+ - переносчиком ионов водорода и электронов и восстанавливают его до НАДФ•Н.
Молекулярный кислород, который выделяется в окружающую среду.
Таким образом, в результате световой фазы фотосинтеза восстанавливается НАДФ+ и образуется НАДФ•Н, синтезируется АТФ из АДФ и фосфорной кислоты, выделяется молекулярный кислород. АТФ и НАДФ•H используются в реакциях темновой фазы фотосинтеза.

Световые реакции
1. Введение энергии в биологические системы через воспринимающие пигментные системы
2. Преобразование энергии света в «биологическую энергию»

Темновая фаза фотосинтеза
В темновую фазу фотосинтеза энергия, накопленная клетками в молекулах АТФ, используется на синтез глюкозы и других органических веществ. Глюкоза образуется при восстановлении углекислого газа - СО2; с участием протонов воды и НАДФ•Н.
В молекуле углекислого газа содержится один атом углерода, а в молекуле глюкозы их шесть (C6H12O6).
Углекислота, проникающая в лист из воздуха, вначале присоединяется к органическому веществу, состоящему из пяти углеродных атомов. При этом образуется очень непрочное шестиуглеродное соединение, которое быстро расщепляется на две трехуглеродные молекулы. В результате ряда реакций из двух трехуглеродных молекул образуется одна шестиуглеродная молекула глюкозы. Этот процесс включает ряд последовательных ферментативных реакций с использованием энергии, заключенной в АТФ. Молекулы НАДФ•Н; поставляют ионы водорода, необходимые для восстановления углекислого газа.
Таким образом, в темновой фазе фотосинтеза в результате ряда ферментативных реакций происходит восстановление углекислого газа водородом воды до глюкозы.

Восстановление углерода происходит в строме хлоропласта в цикле реакций, известных как цикл Кальвина. Цикл Кальвина - не единственный путь фиксации углерода в темновых реакциях. У некоторых растений первый продукт фиксации СО2 - не трехуглеродная молекула 3-глицерофосфата, а четырехуглеродное соединение - оксалоацетат. Отсюда этот путь фотосинтеза получил название С4-пути (С4-растения). Оксалоацетат затем быстро превращается либо в малат, либо в аспартат, которые переносят СО2 к РБФ цикла Кальвина . Существует особая анатомическая структура в мезофиле листа ( кранц-структура ), сопряженная с С4-путем фотосинтеза. У С4-растений цикл Кальвина осуществляется по преимуществу в клетках обкладок проводящих пучков, а С4-путь - в клетках мезофилла . Иначе говоря, С4-растения используют оба пути фотосинтеза, но они в пределах одного растения пространственно разделены. С4-растения более экономно утилизируют СО2, чем С3-растения, отчасти благодаря тому, что фосфоенолпируваткарбоксилаза не ингибируется О2 и, таким образом, С4-растения обладают способностью поглощать СО2 с минимальной потерей воды. Кроме того, у С4-растений практически отсутствует фотодыхание - процесс выделения СО2 и поглощения О2 на свету.
Суммарное уравнение синтеза глюкозы в ходе цикла Кальвина можно записать следующим образом:
6СО2+12NADН2+18АТФ-+С6Н12О6+12NAD+18АДФ+18Ф+6Н2О.

С4- путь фотосинтеза
У некоторых растений первый продукт фиксации СО2 - не трехуглеродная молекула 3-глицерофосфата, а четырехуглеродное соединение - оксалоацетат. Отсюда этот путь фотосинтеза получил название С4-пути. Оксалоацетат затем быстро превращается либо в малат, либо в аспартат, которые переносят СО2 к РБФ цикла Кальвина . Существует особая анатомическая структура в мезофиле листа ( кранц-структура ), сопряженная с С4-путем фотосинтеза. У С4-растений цикл Кальвина осуществляется по преимуществу в клетках обкладок проводящих пучков, а С4-путь - в клетках мезофилла . Иначе говоря, С4-растения используют оба пути фотосинтеза, но они в пределах одного растения пространственно разделены. С4-растения более экономно утилизируют СО2, чем С3-растения, отчасти благодаря тому, что фосфоенолпируваткарбоксилаза не ингибируется О2 и, таким образом, С4-растения обладают способностью поглощать СО2 с минимальной потерей воды. Кроме того, у С4-растений практически отсутствует фотодыхание - процесс выделения СО2 и поглощения О2 на свету.
С4-растения известны среди 19 семейств цветковых. Однако практически все С4-растения адаптированы к высокой инсоляции, повышенным температурам и засухе. Оптимальная температура для роста и развития таких растений выше, чем у С3-растений; С4-растения процветают даже при температурах, которые губительны для многих С3-видов.

фотосинтетически активная радиация
ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИ АКТИВНАЯ РАДИАЦИЯ (ФАР) , часть солнечной энергии, к-рая может использоваться растениями для фотосинтеза. Соответствует полосе видимого света и составляет ок. 50% от суммарной энергии солнечного излучения.

Спектры поглощения
ФАР : 380 – 710 нм
Каротиноиды: 400-550 нм главный максимум: 480 нм
Хлорофиллы:
в красной области спектра 640-700 нм
в синей - 400-450 нм

Зелёные насажде́ния
Зелёные насажде́ния — совокупность древесных, кустарниковых и травянистых растений на определённой территории. В городах они выполняют ряд функций, способствующих созданию оптимальных условий для труда и отдыха жителей города, основные из которых — оздоровление воздушного бассейна города и улучшение его микроклимата. Этому способствуют следующие свойства зелёных насаждений:
поглощение углекислого газа и выделение кислорода в ходе фотосинтеза;
понижение температуры воздуха за счёт испарения влаги;
снижение уровня шума;
снижение уровня загрязнения воздуха пылью и газами;
защита от ветров;
выделение растениями фитонцидов — летучих веществ, убивающих болезнетворные микробы;
положительное влияние на нервную систему человека.