Пластический обмен. Фотосинтез
Фотосинтез протекает в хлоропластах растительных клеток. Основной пигмент — хлорофилл. Он имеет сложное строение, включающее порфириновое кольцо с атомом магния в центре, которое способно поглощать кванты света, и фитольный "хвост", закрепляющий молекулу в мембране тилакоида.
Фотолиз воды — это расщепление молекулы \( H_2O \) под действием света на протоны \( H^+ \), электроны \( e^- \) и молекулярный кислород \( O_2 \): \( H_2O \stackrel{свет}{\longrightarrow} 2H^+ + 2e^- + 1/2O_2 \). Ионы \( H^+ \) (протоны) накапливаются в протонном резервуаре внутри тилакоида. Электроны, высвобожденные из воды, восстанавливают хлорофилл фотосистемы II, который потерял их при возбуждении светом.
Энергия, которую несут возбуждённые электроны, движущиеся по электронно-транспортной цепи, используется для перекачивания протонов \( H^+ \) в протонный резервуар тилакоида. Накопленные протоны создают электрохимический градиент. Затем они возвращаются в строму через каналы фермента АТФ-синтазы, и энергия этого потока используется для синтеза молекул АТФ (фотофосфорилирование).
Световая фаза протекает на мембранах тилакоидов хлоропластов. Основные реакции: поглощение света хлорофиллом; фотолиз воды (\( O_2 \) выделяется); перенос электронов по ЭТЦ; синтез АТФ (фотофосфорилирование); восстановление НАДФ\( ^+ \) до НАДФ · 2H. Продукты: АТФ, НАДФ · 2H, \( O_2 \).
Темновая фаза протекает в строме хлоропластов. Ключевые реакции: фиксация углекислого газа; восстановление промежуточных соединений за счёт НАДФ · 2H и АТФ; синтез глюкозы; регенерация акцептора \( CO_2 \). Общее уравнение темновой фазы: \( 6CO_2 + 12\text{НАДФ} \cdot 2H + 18\text{АТФ} \longrightarrow C_6H_{12}O_6 + 12\text{НАДФ}^+ + 18\text{АДФ} + 18\Phi_н \).
Глюкоза (\( C_6H_{12}O_6 \)) является шестиуглеродным соединением (\( C_6 \)). В цикле Кальвина за один оборот фиксируется только одна молекула углекислого газа (\( CO_2 \)), которая является однoуглеродным соединением. Следовательно, для образования одной молекулы глюкозы, содержащей шесть атомов углерода, цикл должен повториться шесть раз, чтобы усвоить шесть молекул \( CO_2 \).
| Параметры для сравнения | Световая фаза | Темновая фаза |
|---|---|---|
| Место протекания реакций | Мембраны тилакоидов | Строма хлоропластов |
| Условия реакций | Обязательно наличие света | Не требуют прямого света (используют продукты световой фазы) |
| Исходные вещества | \( H_2O \), НАДФ\( ^+ \), АДФ, \( \Phi_н \), хлорофилл | \( CO_2 \), НАДФ · 2H, АТФ, рибулозодифосфат |
| Продукты реакций | АТФ, НАДФ · 2H, \( O_2 \) | \( C_6H_{12}O_6 \) (глюкоза), НАДФ\( ^+ \), АДФ, \( \Phi_н \) |
| Источник энергии | Свет | АТФ (энергия), НАДФ · 2H (водород) |
| Суммарное уравнение | \( H_2O + \text{НАДФ}^+ + 2\text{АДФ} + 2\Phi_н \longrightarrow \text{НАДФ} \cdot 2H + 2\text{АТФ} + 1/2O_2 \) | \( 6CO_2 + 12\text{НАДФ} \cdot 2H + 18\text{АТФ} \longrightarrow C_6H_{12}O_6 + 12\text{НАДФ}^+ + 18\text{АДФ} + 18\Phi_н \) |
Исследования начались с опыта голландского учёного Яна ван Гельмонта в XVII веке, который показал, что масса растения значительно увеличивается за счёт чего-то другого, кроме почвы. Он сделал вывод, что вещество образуется из воды. Позже Джозеф Пристли (XVIII в.) обнаружил, что растения "исправляют" воздух, испорченный горением или дыханием, и делают его пригодным для дыхания. В 1779 году Ян Ингенхауз установил, что этот процесс происходит только на свету и только зелёными частями растений. В 1804 году Николя Теодор де Соссюр доказал, что растения поглощают углекислый газ, и при этом в процессе участвует вода. В XIX веке К. А. Тимирязев доказал, что наибольшая интенсивность фотосинтеза наблюдается в красных лучах, что соответствует поглощению света хлорофиллом.
Причина в том, что хлорофилл — основной пигмент фотосинтеза — наиболее эффективно поглощает свет именно в сине-фиолетовой и красной частях спектра. Зелёные лучи, напротив, преимущественно отражаются хлорофиллом, что и придаёт растениям зелёную окраску. Интенсивность фотосинтеза прямо пропорциональна степени поглощения света хлорофиллом, поэтому она максимальна в тех областях спектра, где поглощение наибольшее.
Эффективность усвоения энергии (\( \eta \)) составляет 1% (или 0,01). Энергия, запасённая в глюкозе (\( E_{глюкоза} \)), равна 2800 кДж. Нам нужно найти общую поглощенную энергию (\( E_{поглощенная} \)).
Формула эффективности: \( \eta = E_{глюкоза} / E_{поглощенная} \)
Выражаем поглощенную энергию: \( E_{поглощенная} = E_{глюкоза} / \eta \)
Подставляем значения: \( E_{поглощенная} = 2800 \text{ кДж} / 0,01 \)
Результат: \( E_{поглощенная} = 280000 \text{ кДж} \).
Чтобы синтезировать глюкозу с энергией 2800 кДж, растение должно поглотить 280 000 кДж солнечной энергии.
Задали работу по теме параграфа?
Реферат, доклад или проект по параграфу: план, текст, таблицы и оформление по требованиям.
Список готовых проектов к текущему параграфу.
ВНИМАНИЕ: Представленные фрагменты из учебных материалов используются исключительно в научно-образовательных целях в объеме, оправданном поставленной целью.
Данное использование осуществляется в рамках, установленных законодательством об авторском праве (в частности, нормами о свободном использовании произведения для образовательных целей).
В соответствии с законодательством, автор и источник заимствования указаны для каждого используемого фрагмента.
