نمودار فرآیند فتوسنتز و توضیح آن. فتوسنتز: هر آنچه باید در مورد آن بدانید. فتوسنتز کجا اتفاق می افتد؟

27 فوریه 2014 | یک نظر | لولیتا اوکولنوا

فتوسنتز- فرآیند تشکیل مواد آلی از دی اکسید کربن و آب در نور با مشارکت رنگدانه های فتوسنتزی.

شیمی سنتز- روشی از تغذیه اتوتروف که در آن منبع انرژی برای سنتز مواد آلی از CO 2 واکنش های اکسیداسیون ترکیبات معدنی است.

به طور معمول، همه موجودات قادر به سنتز مواد آلی از مواد معدنی، به عنوان مثال. موجودات قادر به فتوسنتز و شیمی سنتزرجوع به .

برخی به طور سنتی به عنوان اتوتروف طبقه بندی می شوند.

به طور خلاصه در مورد ساختار یک سلول گیاهی صحبت کردیم، بیایید کل فرآیند را با جزئیات بیشتر بررسی کنیم...

جوهر فتوسنتز

(معادله خلاصه)

ماده اصلی درگیر در فرآیند چند مرحله ای فتوسنتز است کلروفیل. این است که انرژی خورشیدی را به انرژی شیمیایی تبدیل می کند.

شکل یک نمایش شماتیک از مولکول کلروفیل را نشان می دهد، اتفاقاً این مولکول بسیار شبیه به مولکول هموگلوبین است ...

کلروفیل درون آن تعبیه شده است کلروپلاست گرانا:

فاز نور فتوسنتز:

(بر روی غشاهای تیلاکوئید انجام می شود)

• نوری که به مولکول کلروفیل برخورد می کند توسط آن جذب می شود و آن را به حالت برانگیخته می آورد - الکترونی که بخشی از مولکول است با جذب انرژی نور به سطح انرژی بالاتری حرکت می کند و در فرآیندهای سنتز شرکت می کند.
• تحت تأثیر نور، شکافتن (فتولیز) آب نیز رخ می دهد:

در این حالت، اکسیژن به محیط خارجی خارج می شود و پروتون ها در داخل تیلاکوئید در "مخزن پروتون" تجمع می یابند.

2Н + + 2е - + NADP → NADPH 2

NADP یک ماده خاص، یک کوآنزیم است، به عنوان مثال. یک کاتالیزور، در این مورد یک حامل هیدروژن.

• سنتز شده (انرژی)

فاز تاریک فتوسنتز

(در استرومای کلروپلاست ها رخ می دهد)

سنتز واقعی گلوکز

چرخه ای از واکنش ها رخ می دهد که در آن C 6 H 12 O 6 تشکیل می شود. این واکنش ها از انرژی ATP و NADPH 2 که در فاز نوری تشکیل شده اند استفاده می کنند. علاوه بر گلوکز، مونومرهای دیگر ترکیبات آلی پیچیده در طول فتوسنتز تشکیل می شود - اسیدهای آمینه، گلیسرول و اسیدهای چرب، نوکلئوتیدها.

لطفا توجه داشته باشید: این مرحله تاریک استبه این دلیل نامیده نمی شود که در شب اتفاق می افتد - سنتز گلوکز، به طور کلی، در سراسر ساعت اتفاق می افتد، اما فاز تاریک دیگر نیازی به انرژی نور ندارد.

"فتوسنتز فرآیندی است که در نهایت تمام مظاهر حیات در سیاره ما به آن بستگی دارد."

K.A. Timiryazev.

در نتیجه فتوسنتز، حدود 150 میلیارد تن ماده آلی در زمین تشکیل می شود و حدود 200 میلیارد تن اکسیژن آزاد در سال آزاد می شود. علاوه بر این، گیاهان میلیاردها تن نیتروژن، فسفر، گوگرد، کلسیم، منیزیم، پتاسیم و سایر عناصر را وارد چرخه می کنند. اگرچه یک برگ سبز تنها از 1 تا 2 درصد نوری که بر روی آن می افتد استفاده می کند، اما مواد آلی ایجاد شده توسط گیاه و به طور کلی اکسیژن.

شیمی سنتز

شیموسنتز به دلیل انرژی آزاد شده در طی واکنش های اکسیداسیون شیمیایی ترکیبات معدنی مختلف انجام می شود: هیدروژن، سولفید هیدروژن، آمونیاک، اکسید آهن (II) و غیره.

با توجه به مواد موجود در متابولیسم باکتری ها، عبارتند از:

• باکتری های گوگرد - میکروارگانیسم های آب های حاوی H 2 S - منابع با بوی بسیار مشخص،
• باکتری آهن،
• باکتری های نیتریفیک - اکسید کننده آمونیاک و اسید نیتروژن،
• باکتری های تثبیت کننده نیتروژن - خاک را غنی می کند، بهره وری را تا حد زیادی افزایش می دهد.
• باکتری های اکسید کننده هیدروژن

اما ماهیت همان است - این نیز است

فتوسنتز - یک سیستم منحصر به فرد از فرآیندها برای ایجاد مواد آلی از مواد معدنی با استفاده از کلروفیل و انرژی نور و آزاد کردن اکسیژن در جو، که در مقیاس عظیم در خشکی و آب اجرا می شود.

تمام فرآیندهای فاز تاریک فتوسنتز بدون مصرف مستقیم نور اتفاق می‌افتند، اما مواد پرانرژی (ATP و NADP.H) که با مشارکت انرژی نور تشکیل شده‌اند، در فاز نوری فتوسنتز نقش زیادی در آنها دارند. در طول فاز تاریک، انرژی پیوندهای ماکروانرژیک ATP به انرژی شیمیایی ترکیبات آلی مولکول های کربوهیدرات تبدیل می شود. این بدان معنی است که انرژی نور خورشید، همانطور که بود، در پیوندهای شیمیایی بین اتم های مواد آلی حفظ می شود، که در انرژی زیست کره و به طور خاص برای فعالیت زندگی کل جمعیت زنده سیاره ما اهمیت زیادی دارد.

فتوسنتز در کلروپلاست های سلول اتفاق می افتد و سنتز کربوهیدرات ها در سلول های حاوی کلروفیل است که با مصرف انرژی از نور خورشید اتفاق می افتد. مراحل نور و دمای فتوسنتز وجود دارد. فاز نور با مصرف مستقیم کوانتوم های نوری، فرآیند سنتز را با انرژی لازم به شکل NADH و ATP تامین می کند. فاز تاریک - بدون مشارکت نور، اما از طریق یک سری واکنش های شیمیایی (چرخه کالوین) تشکیل کربوهیدرات ها، عمدتاً گلوکز را فراهم می کند. اهمیت فتوسنتز در بیوسفر بسیار زیاد است.

در این صفحه مطالبی در مورد موضوعات زیر وجود دارد:

• گزارش مختصر بیماری ویروسی

• چکیده فتوسنتز و اهمیت آن به طور خلاصه

• فاز تاریک فتوسنتز چه زمانی رخ می دهد؟

• فاز نور فتوسنتز در استرومای کلروپلاست اتفاق می افتد

• مراحل روشن و تاریک فتوسنتز به طور خلاصه

سوالات در مورد این مواد:

فرآیند تبدیل انرژی تابشی از خورشید به انرژی شیمیایی با استفاده از دومی در سنتز کربوهیدرات ها از دی اکسید کربن. این تنها راه برای جذب انرژی خورشیدی و استفاده از آن برای حیات در سیاره ما است.

جذب و تبدیل انرژی خورشیدی توسط انواع موجودات فتوسنتزی (فتواتوتروف) انجام می شود. اینها شامل موجودات چند سلولی (گیاهان سبز بالاتر و اشکال پایین تر آنها - جلبک سبز، قهوه ای و قرمز) و موجودات تک سلولی (اوگلنا، دینوفلاژلات ها و دیاتوم ها) هستند. گروه بزرگی از موجودات فتوسنتزی پروکاریوت ها هستند - جلبک های سبز آبی، باکتری های سبز و بنفش. حدود نیمی از کار فتوسنتز روی زمین توسط گیاهان سبز بالاتر انجام می شود و نیمی دیگر عمدتا توسط جلبک های تک سلولی انجام می شود.

اولین ایده ها در مورد فتوسنتز در قرن هفدهم شکل گرفت. پس از آن، با در دسترس قرار گرفتن داده های جدید، این ایده ها بارها تغییر کردند. [نمایش] .

توسعه ایده ها در مورد فتوسنتز

مطالعه فتوسنتز در سال 1630 آغاز شد، زمانی که ون هلمونت نشان داد که گیاهان خود مواد آلی تشکیل می دهند و آنها را از خاک به دست نمی آورند. با وزن کردن گلدان خاکی که بید در آن رشد کرده و خود درخت، نشان داد که در طول 5 سال، جرم درخت 74 کیلوگرم افزایش یافت، در حالی که خاک تنها 57 گرم از دست داد. ون هلمونت به این نتیجه رسید که گیاه دریافت کرده است. بقیه غذای آن از آبی که برای آبیاری درخت استفاده می شد. اکنون می دانیم که ماده اصلی برای سنتز دی اکسید کربن است که توسط گیاه از هوا استخراج می شود.

در سال 1772، جوزف پریستلی نشان داد که جوانه های نعناع، ​​هوای آلوده به شمع سوزان را "تصحیح" می کنند. هفت سال بعد، یان اینگنهویس کشف کرد که گیاهان تنها با قرار گرفتن در نور می توانند هوای بد را تصحیح کنند، و توانایی گیاهان در اصلاح هوا متناسب با شفافیت روز و مدت زمانی است که گیاهان در محیط می مانند. آفتاب. در تاریکی، گیاهان هوایی از خود ساطع می کنند که برای حیوانات مضر است.

گام مهم بعدی در توسعه دانش در مورد فتوسنتز، آزمایش های سوسور بود که در سال 1804 انجام شد. سوسور با وزن کردن هوا و گیاهان قبل و بعد از فتوسنتز دریافت که افزایش جرم خشک گیاه از جرم دی اکسید کربن جذب شده از هوا بیشتر است. سوسور به این نتیجه رسید که ماده دیگری که در افزایش جرم نقش دارد آب است. بنابراین، 160 سال پیش فرآیند فتوسنتز به صورت زیر تصور می شد:

H 2 O + CO 2 + hv -> C 6 H 12 O 6 + O 2

آب + دی اکسید کربن + انرژی خورشیدی ----> ماده آلی + اکسیژن

اینگنهوز پیشنهاد کرد که نقش نور در فتوسنتز تجزیه دی اکسید کربن است. در این حالت، اکسیژن آزاد می شود و کربن آزاد شده برای ساختن بافت گیاه استفاده می شود. بر این اساس، موجودات زنده به گیاهان سبز که می توانند از انرژی خورشیدی برای جذب دی اکسید کربن استفاده کنند و موجودات دیگری که حاوی کلروفیل نیستند، که نمی توانند از انرژی نور استفاده کنند و قادر به جذب CO2 نیستند، تقسیم شدند.

این اصل تقسیم جهان زنده زمانی نقض شد که S.N. Winogradsky در سال 1887 باکتری های شیمیایی شیمیایی - موجودات بدون کلروفیل را کشف کرد که قادر به جذب (یعنی تبدیل به ترکیبات آلی) دی اکسید کربن در تاریکی بودند. همچنین هنگامی که در سال 1883، انگلمن باکتری های بنفش رنگی را کشف کرد که نوعی فتوسنتز را انجام می دهند که با آزاد شدن اکسیژن همراه نیست، مختل شد. زمانی این واقعیت به اندازه کافی مورد توجه قرار نگرفت. در این میان، کشف باکتری های شیمی سنتزی که دی اکسید کربن را در تاریکی جذب می کنند نشان می دهد که جذب دی اکسید کربن را نمی توان به تنهایی یک ویژگی خاص فتوسنتز دانست.

پس از سال 1940، به لطف استفاده از کربن نشاندار، مشخص شد که تمام سلول ها - گیاهی، باکتریایی و حیوانی - قادر به جذب دی اکسید کربن هستند، یعنی آن را در مولکول های مواد آلی ترکیب می کنند. فقط منابعی که انرژی لازم برای این کار را از آنها می گیرند متفاوت است.

کمک بزرگ دیگری به مطالعه فتوسنتز در سال 1905 توسط بلکمن انجام شد که کشف کرد فتوسنتز از دو واکنش متوالی تشکیل شده است: یک واکنش سریع نور و یک سری مراحل کندتر و مستقل از نور که او آن را واکنش سرعت نامید. بلکمن با استفاده از نور با شدت بالا نشان داد که فتوسنتز در نور متناوب با فلاش هایی که فقط کسری از ثانیه طول می کشد با سرعت نور مداوم انجام می شود، علیرغم این واقعیت که در حالت اول سیستم فتوسنتزی نیمی از انرژی دریافت می کند. شدت فتوسنتز تنها با افزایش قابل توجه در دوره تاریکی کاهش یافت. در مطالعات بیشتر مشخص شد که سرعت واکنش تاریکی با افزایش دما به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

فرضیه بعدی در مورد اساس شیمیایی فتوسنتز توسط ون نیل مطرح شد که در سال 1931 به طور تجربی نشان داد که فتوسنتز در باکتری ها می تواند در شرایط بی هوازی و بدون آزاد شدن اکسیژن رخ دهد. ون نیل پیشنهاد کرد که اصولاً فرآیند فتوسنتز در باکتری ها و گیاهان سبز مشابه است. در دومی، انرژی نور برای فتولیز آب (H 2 0) با تشکیل یک عامل کاهنده (H) که با مشارکت در جذب دی اکسید کربن تعیین می شود، و یک عامل اکسید کننده (OH)، یک پیش ساز فرضی استفاده می شود. اکسیژن مولکولی در باکتری ها، فتوسنتز به طور کلی به همین صورت انجام می شود، اما دهنده هیدروژن H 2 S یا هیدروژن مولکولی است و بنابراین اکسیژن آزاد نمی شود.

ایده های مدرن در مورد فتوسنتز

بر اساس مفاهیم مدرن، ماهیت فتوسنتز تبدیل انرژی تابشی نور خورشید به انرژی شیمیایی در قالب ATP و کاهش نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید فسفات (NADP) است. · ن).

در حال حاضر، به طور کلی پذیرفته شده است که فرآیند فتوسنتز شامل دو مرحله است که در آن ساختارهای فتوسنتزی نقش فعالی دارند. [نمایش] و رنگدانه های سلولی حساس به نور

ساختارهای فتوسنتزی

در باکتری هاساختارهای فتوسنتزی به شکل فرورفتگی غشای سلولی ارائه شده و اندامک های لایه ای مزوزوم را تشکیل می دهند. مزوزوم های جدا شده از تخریب باکتری ها کروماتوفور نامیده می شوند و دستگاه حساس به نور در آنها متمرکز است.

در یوکاریوت هادستگاه فتوسنتز در اندامک‌های داخل سلولی ویژه - کلروپلاست‌ها قرار دارد که حاوی رنگدانه سبز کلروفیل است که به گیاه رنگ سبز می‌دهد و نقش مهمی در فتوسنتز دارد و انرژی نور خورشید را جذب می‌کند. کلروپلاست ها نیز مانند میتوکندری ها حاوی DNA، RNA و دستگاهی برای سنتز پروتئین هستند، یعنی توانایی بالقوه برای تولید مثل خود را دارند. کلروپلاست ها چندین برابر بزرگتر از میتوکندری هستند. تعداد کلروپلاست ها از یک در جلبک تا 40 عدد در هر سلول در گیاهان عالی است.

علاوه بر کلروپلاست، سلول‌های گیاهان سبز حاوی میتوکندری هستند که مانند سلول‌های هتروتروف برای تولید انرژی در شب از طریق تنفس استفاده می‌شوند.

کلروپلاست ها شکل کروی یا مسطح دارند. آنها توسط دو غشاء - بیرونی و داخلی احاطه شده اند (شکل 1). غشای داخلی به شکل پشته هایی از دیسک های حباب مانند مسطح چیده شده است. این پشته گرانا نامیده می شود.

هر دانه از لایه های جداگانه ای تشکیل شده است که مانند ستون های سکه چیده شده اند. لایه‌های مولکول‌های پروتئین با لایه‌های حاوی کلروفیل، کاروتن و سایر رنگدانه‌ها و همچنین اشکال خاصی از لیپیدها (حاوی گالاکتوز یا گوگرد، اما فقط یک اسید چرب) متناوب می‌شوند. به نظر می رسد این لیپیدهای سورفکتانت بین لایه های جداگانه مولکول ها جذب می شوند و برای تثبیت ساختار، که از لایه های متناوب پروتئین و رنگدانه تشکیل شده است، استفاده می کنند. این ساختار لایه ای (لایه ای) گرانا به احتمال زیاد انتقال انرژی در طول فتوسنتز از یک مولکول به یک مولکول نزدیک را تسهیل می کند.

در جلبک ها در هر کلروپلاست بیش از یک دانه وجود ندارد و در گیاهان عالی تا 50 دانه وجود دارد که توسط پل های غشایی به هم متصل می شوند. محیط آبی بین گرانا، استرومای کلروپلاست است که حاوی آنزیم هایی است که "واکنش های تاریک" را انجام می دهند.

ساختارهای وزیکول مانندی که گرانا را تشکیل می دهند، تیلاکتوید نامیده می شوند. از 10 تا 20 تیلاکتوید در گرانا وجود دارد.

واحد ساختاری و عملکردی اولیه فتوسنتز غشای تیلاکتوید که حاوی رنگدانه های لازم برای به دام انداختن نور و اجزای دستگاه تبدیل انرژی است، کوانتوزوم نامیده می شود که از حدود 230 مولکول کلروفیل تشکیل شده است. این ذره دارای جرمی در حدود 2*106 دالتون و ابعادی در حدود 17.5 نانومتر است.

	مراحل فتوسنتز
	مرحله سبک (یا مرحله انرژی)	مرحله تاریک (یا متابولیک)
محل واکنش	در کوانتوزوم های غشای تیلاکتوید، در نور رخ می دهد.	خارج از تیلاکتویدها، در محیط آبی استروما انجام می شود.
محصولات اولیه	انرژی نور، آب (H2O)، ADP، کلروفیل	CO 2، ریبولوز دی فسفات، ATP، NADPH 2
ماهیت فرآیند	فتولیز آب، فسفوریلاسیون در مرحله نوری فتوسنتز، انرژی نور به انرژی شیمیایی ATP تبدیل می شود و الکترون های کم انرژی آب به الکترون های غنی از انرژی NADP تبدیل می شوند. · N 2. یک محصول جانبی که در مرحله نور تشکیل می شود، اکسیژن است. واکنش های مرحله نور را "واکنش های نور" می نامند.	کربوکسیلاسیون، هیدروژناسیون، دفسفوریلاسیون در مرحله تاریک فتوسنتز، "واکنش های تاریک" رخ می دهد، که طی آن سنتز کاهشی گلوکز از CO 2 مشاهده می شود. بدون انرژی مرحله نور، مرحله تاریک غیرممکن است.
محصولات نهایی	O 2، ATP، NADPH 2 محصولات غنی از انرژی واکنش نور - ATP و NADP · H 2 بیشتر در مرحله تاریک فتوسنتز استفاده می شود.
رابطه بین مراحل روشن و تاریک را می توان با نمودار بیان کرد فرآیند فتوسنتز ایندرگونیک است، یعنی. با افزایش انرژی آزاد همراه است و بنابراین نیاز به مقدار قابل توجهی انرژی از خارج تامین می شود. معادله کلی فتوسنتز به صورت زیر است: 6CO 2 + 12H 2 O ---> C 6 H 12 O 62 + 6H 2 O + 6O 2 + 2861 kJ/mol.

گیاهان زمینی آب لازم برای فتوسنتز را از طریق ریشه جذب می کنند، در حالی که گیاهان آبزی آن را از طریق انتشار از محیط دریافت می کنند. دی اکسید کربن، لازم برای فتوسنتز، از طریق سوراخ های کوچک روی سطح برگ ها - روزنه ها به گیاه پخش می شود. از آنجایی که دی اکسید کربن در طول فتوسنتز مصرف می شود، غلظت آن در سلول معمولاً کمی کمتر از جو است. اکسیژن آزاد شده در طول فتوسنتز به خارج از سلول و سپس از طریق روزنه به بیرون از گیاه منتشر می شود. قندهای تولید شده در طول فتوسنتز نیز به قسمت هایی از گیاه که غلظت آنها کمتر است پخش می شود.

برای انجام فتوسنتز، گیاهان به هوای زیادی نیاز دارند، زیرا فقط 0.03٪ دی اکسید کربن دارد. در نتیجه، از 10000 متر مکعب هوا، 3 متر مکعب دی اکسید کربن می توان به دست آورد که از آن حدود 110 گرم گلوکز در طول فتوسنتز تشکیل می شود. گیاهان معمولاً با سطوح بالاتر دی اکسید کربن در هوا بهتر رشد می کنند. بنابراین، در برخی از گلخانه ها میزان CO 2 موجود در هوا بین 1-5٪ تنظیم می شود.

مکانیسم مرحله نور (فتوشیمیایی) فتوسنتز

انرژی خورشیدی و رنگدانه های مختلف در اجرای عملکرد فتوشیمیایی فتوسنتز شرکت می کنند: سبز - کلروفیل های a و b، زرد - کاروتنوئیدها و قرمز یا آبی - فیکوبیلین ها. در میان این مجموعه رنگدانه ها، تنها کلروفیل a از نظر فتوشیمیایی فعال است. رنگدانه‌های باقی‌مانده نقش حمایتی را ایفا می‌کنند و فقط جمع‌آوری‌کننده کوانتوم‌های نور (نوعی عدسی‌های جمع‌کننده نور) و رسانای آنها به مرکز فتوشیمیایی هستند.

بر اساس توانایی کلروفیل در جذب موثر انرژی خورشیدی با طول موج معین، مراکز فتوشیمیایی عملکردی یا فتوسیستم‌ها در غشاهای تیلاکتوید شناسایی شدند (شکل 3):

• فتوسیستم I (کلروفیل آ) - حاوی رنگدانه 700 (P 700) است که نور را با طول موج حدود 700 نانومتر جذب می کند و نقش عمده ای در تشکیل محصولات مرحله نوری فتوسنتز دارد: ATP و NADP. · H 2
• فتوسیستم II (کلروفیل ب) - حاوی رنگدانه 680 (P 680) است که نور را با طول موج 680 نانومتر جذب می کند و با پر کردن الکترون های از دست رفته توسط فتوسیستم I از طریق فتولیز آب نقش کمکی ایفا می کند.

برای هر 300-400 مولکول رنگدانه های برداشت کننده نور در فتوسیستم های I و II، تنها یک مولکول رنگدانه فعال فتوشیمیایی وجود دارد - کلروفیل a.

کوانتوم نوری که توسط گیاه جذب می شود

• رنگدانه P 700 را از حالت پایه به حالت برانگیخته - P * 700 منتقل می کند ، که در آن به راحتی الکترون را با تشکیل یک سوراخ الکترونی مثبت به شکل P 700 + طبق این طرح از دست می دهد:

  P 700 ---> P * 700 ---> P + 700 + e -

  پس از آن، مولکول رنگدانه ای که یک الکترون را از دست داده است می تواند به عنوان گیرنده الکترون (قابلیت پذیرش الکترون) عمل کرده و به شکل کاهش یافته تبدیل شود.

• بر اساس این طرح باعث تجزیه (فتواکسیداسیون) آب در مرکز فتوشیمیایی P 680 فتوسیستم II می شود.

  H 2 O ---> 2H + + 2e - + 1/2O 2

  فتولیز آب واکنش هیل نامیده می شود. الکترون های تولید شده در طی تجزیه آب در ابتدا توسط ماده ای به نام Q پذیرفته می شوند (گاهی اوقات به دلیل حداکثر جذب سیتوکروم C 550 نامیده می شود، اگرچه سیتوکروم نیست). سپس، از ماده Q، از طریق زنجیره ای از حامل های مشابه با ترکیب میتوکندری، الکترون ها به فتوسیستم I عرضه می شود تا حفره الکترونی ایجاد شده در نتیجه جذب کوانتوم های نور توسط سیستم را پر کند و رنگدانه P + 700 را بازیابی کند.

اگر چنین مولکولی به سادگی همان الکترون را دریافت کند، انرژی نور به شکل گرما و فلورسانس آزاد می شود (این به دلیل فلورسانس کلروفیل خالص است). با این حال، در بیشتر موارد، الکترون با بار منفی آزاد شده توسط پروتئین های آهن-گوگرد ویژه (مرکز FeS) پذیرفته می شود و سپس

1. یا در امتداد یکی از زنجیره های حامل به P+700 منتقل می شود و حفره الکترونی را پر می کند.
2. یا در امتداد زنجیره دیگری از انتقال دهنده ها از طریق فرودوکسین و فلاووپروتئین به یک پذیرنده دائمی - NADP · H 2

در حالت اول، انتقال چرخه ای بسته الکترون رخ می دهد و در حالت دوم، انتقال غیر چرخه ای رخ می دهد.

هر دو فرآیند توسط یک زنجیره انتقال الکترون کاتالیز می شوند. با این حال، در طول فتوفسفوریلاسیون حلقوی، الکترون ها از کلروفیل باز می گردند آبازگشت به کلروفیل آدر حالی که در فتوفسفوریلاسیون غیر حلقوی الکترونها از کلروفیل b به کلروفیل منتقل می شوند. آ.

فسفوریلاسیون حلقوی (فتوسنتزی).	فسفوریلاسیون غیر حلقوی
در نتیجه فسفوریلاسیون حلقوی، مولکول های ATP تشکیل می شوند. این فرآیند با بازگشت الکترون های برانگیخته به P 700 از طریق یک سری مراحل متوالی همراه است. بازگشت الکترون های برانگیخته به P 700 منجر به آزاد شدن انرژی (در طول انتقال از سطح انرژی بالا به سطح کم) می شود که با مشارکت سیستم آنزیمی فسفریله کننده در پیوندهای فسفات ATP انباشته می شود و به شکل فلورسانس و گرما از بین نمی رود (شکل 4). این فرآیند فسفوریلاسیون فتوسنتزی نامیده می شود (بر خلاف فسفوریلاسیون اکسیداتیو که توسط میتوکندری انجام می شود). فسفوریلاسیون فتوسنتزی- واکنش اولیه فتوسنتز مکانیسمی برای تشکیل انرژی شیمیایی (سنتز ATP از ADP و فسفات معدنی) بر روی غشای تیرلاکتوید کلروپلاست ها با استفاده از انرژی نور خورشید است. برای واکنش تاریک جذب CO 2 ضروری است	در نتیجه فسفوریلاسیون غیر حلقوی، NADP + کاهش می یابد تا NADP تشکیل شود · N. این فرآیند با انتقال یک الکترون به فرودوکسین، کاهش آن و انتقال بیشتر آن به NADP + همراه با کاهش بعدی آن به NADP همراه است. · ن
هر دو فرآیند در تیلاکتویدها اتفاق می‌افتند، اگرچه دومی پیچیده‌تر است. با کار سیستم فتوسیستم II مرتبط است (به هم مرتبط است).

بنابراین، الکترون های از دست رفته توسط P 700 توسط الکترون های آب تجزیه شده تحت تأثیر نور در فتوسیستم II دوباره پر می شوند.

آ+ به حالت پایه، ظاهراً با تحریک کلروفیل تشکیل می شوند ب. این الکترون‌های پرانرژی به فردوکسین و سپس از طریق فلاووپروتئین و سیتوکروم‌ها به کلروفیل می‌رسند. آ. در آخرین مرحله، فسفوریلاسیون ADP به ATP رخ می دهد (شکل 5).

الکترون های مورد نیاز برای بازگشت کلروفیل Vحالت پایه آن احتمالاً توسط یونهای OH - تشکیل شده در هنگام تفکیک آب تأمین می شود. برخی از مولکول های آب به یون های H + و OH - تجزیه می شوند. در نتیجه از دست دادن الکترون‌ها، یون‌های OH به رادیکال‌هایی (OH) تبدیل می‌شوند که متعاقباً مولکول‌های آب و اکسیژن گازی تولید می‌کنند (شکل 6).

این جنبه از نظریه توسط نتایج آزمایشات با آب و CO 2 با برچسب 18 0 تایید می شود. [نمایش] .

با توجه به این نتایج، تمام گاز اکسیژن آزاد شده در طول فتوسنتز از آب می آید و نه از CO2. واکنش های تقسیم آب هنوز به طور دقیق مورد مطالعه قرار نگرفته است. با این حال، واضح است که اجرای تمام واکنش‌های متوالی فوتوفسفوریلاسیون غیر حلقوی (شکل 5)، از جمله تحریک یک مولکول کلروفیل آو یک مولکول کلروفیل ب، باید منجر به تشکیل یک مولکول NADP شود · H، دو یا چند مولکول ATP از ADP و Pn و آزاد شدن یک اتم اکسیژن. این به حداقل چهار کوانت نور نیاز دارد - دو کوانت برای هر مولکول کلروفیل.

جریان غیر حلقوی الکترون ها از H 2 O به NADP · H2 که در طول برهمکنش دو فتوسیستم و زنجیره های انتقال الکترون که آنها را به هم متصل می کند رخ می دهد، برخلاف مقادیر پتانسیل های اکسیداسیون و کاهش مشاهده می شود: E° برای 1/2O2/H2O = 0.81+ V و E° برای NADP/NADP. · H = -0.32 V. انرژی نور جریان الکترون ها را معکوس می کند. قابل توجه است که هنگام انتقال از فتوسیستم II به فتوسیستم I، بخشی از انرژی الکترون به شکل پتانسیل پروتون روی غشای تیلاکتوید و سپس به انرژی ATP انباشته می شود.

مکانیسم تشکیل پتانسیل پروتون در زنجیره انتقال الکترون و استفاده از آن برای تشکیل ATP در کلروپلاست ها شبیه به میتوکندری است. با این حال، برخی از ویژگی‌ها در مکانیسم فوتوفسفریلاسیون وجود دارد. Thylactoids مانند میتوکندری هستند که از داخل به بیرون چرخانده شده اند، بنابراین جهت انتقال الکترون و پروتون از طریق غشاء مخالف جهت غشای میتوکندری است (شکل 6). الکترون ها به سمت بیرون حرکت می کنند و پروتون ها در داخل ماتریکس تیلاکتوید متمرکز می شوند. ماتریس بار مثبت دارد و غشای خارجی تیلاکتوید بار منفی دارد، یعنی جهت شیب پروتون مخالف جهت آن در میتوکندری است.

ویژگی دیگر نسبت به میزان قابل توجهی بیشتر از pH در پتانسیل پروتون در مقایسه با میتوکندری است. ماتریکس تیلاکتوید بسیار اسیدی است، بنابراین Δ pH می تواند به 0.1-0.2 V برسد، در حالی که ΔΨ حدود 0.1 V است. مقدار کلی Δμ H+ > 0.25 V است.

سنتتاز H + -ATP، که در کلروپلاست ها به عنوان کمپلکس "CF 1 + F 0" نامگذاری شده است، نیز در جهت مخالف است. سر آن (F 1) به سمت بیرون و به سمت استرومای کلروپلاست به نظر می رسد. پروتون ها از طریق CF 0 + F 1 از ماتریس به بیرون رانده می شوند و ATP به دلیل انرژی پتانسیل پروتون در مرکز فعال F 1 تشکیل می شود.

برخلاف زنجیره میتوکندری، زنجیره تیلاکتویید ظاهراً فقط دو مکان کونژوگه دارد، بنابراین سنتز یک مولکول ATP به جای دو، به سه پروتون نیاز دارد، یعنی نسبت 3 H + / 1 مول ATP.

بنابراین، در مرحله اول فتوسنتز، در طی واکنش های نوری، ATP و NADP در استرومای کلروپلاست تشکیل می شوند. · H - محصولات لازم برای واکنش های تیره.

مکانیسم مرحله تاریک فتوسنتز

واکنش های تاریک فتوسنتز فرآیند ترکیب دی اکسید کربن به مواد آلی برای تشکیل کربوهیدرات ها (فتوسنتز گلوکز از CO2) است. واکنش ها در استرومای کلروپلاست با مشارکت محصولات مرحله نور فتوسنتز - ATP و NADP رخ می دهد. · H2.

جذب دی اکسید کربن (کربوکسیلاسیون فتوشیمیایی) یک فرآیند حلقوی است که چرخه فتوسنتزی پنتوز فسفات یا چرخه کالوین نیز نامیده می شود (شکل 7). سه مرحله اصلی در آن وجود دارد:

• کربوکسیلاسیون (تثبیت CO 2 با ریبولوز دی فسفات)
• کاهش (تشکیل تریوز فسفات در طی احیای 3-فسفوگلیسرات)
• بازسازی ریبولوز دی فسفات

ریبولوز 5-فسفات (قندی حاوی 5 اتم کربن با نصف فسفات در کربن 5) تحت فسفوریلاسیون توسط ATP قرار می گیرد و در نتیجه ریبولوز دی فسفات تشکیل می شود. این ماده اخیر با افزودن CO 2، ظاهراً به یک واسطه شش کربنه، کربوکسیله می شود، که، با این حال، بلافاصله با افزودن یک مولکول آب، دو مولکول اسید فسفوگلیسریک را تشکیل می دهد. سپس اسید فسفوگلیسریک از طریق یک واکنش آنزیمی که نیاز به حضور ATP و NADP دارد، کاهش می یابد. · H با تشکیل فسفوگلیسرآلدئید (قند سه کربنه - تریوز). در نتیجه تراکم دو تریوز، یک مولکول هگزوز تشکیل می شود که می تواند در یک مولکول نشاسته گنجانده شود و بنابراین به عنوان ذخیره ذخیره می شود.

برای تکمیل این مرحله از چرخه، فتوسنتز 1 مولکول CO2 را جذب می کند و از 3 مولکول ATP و 4 اتم H (متصل به 2 مولکول NAD) استفاده می کند. · ن). از هگزوز فسفات، از طریق واکنش های خاصی از چرخه پنتوز فسفات (شکل 8)، ریبولوز فسفات بازسازی می شود، که می تواند دوباره مولکول دی اکسید کربن دیگری را به خود متصل کند.

هیچ یک از واکنش های توصیف شده - کربوکسیلاسیون، کاهش یا بازسازی - را نمی توان تنها برای سلول فتوسنتزی اختصاص داد. تنها تفاوتی که آنها دریافتند این بود که واکنش کاهشی که اسید فسفوگلیسریک را به فسفوگلیسرآلدئید تبدیل می‌کند به NADP نیاز دارد. · N، نه OVER · ن، طبق معمول

تثبیت CO 2 توسط ریبولوز دی فسفات توسط آنزیم ریبولوز دی فسفات کربوکسیلاز کاتالیز می شود: ریبولوز دی فسفات + CO 2 --> 3- فسفوگلیسرات سپس 3- فسفوگلیسرات با کمک NADP کاهش می یابد. · H2 و ATP به گلیسرآلدئید 3-فسفات. این واکنش توسط آنزیم گلیسرآلدئید-3-فسفات دهیدروژناز کاتالیز می شود. گلیسرآلدئید 3-فسفات به آسانی به دی هیدروکسی استون فسفات ایزومر می شود. هر دو تریوز فسفات در تشکیل فروکتوز بیس فسفات (واکنش معکوس که توسط فروکتوز بیس فسفات آلدولاز کاتالیز می شود) استفاده می شود. بخشی از مولکول های بیس فسفات فروکتوز حاصل همراه با تریوز فسفات در بازسازی ریبولوز بیس فسفات (بسته شدن چرخه) شرکت می کند و بخشی دیگر برای ذخیره کربوهیدرات ها در سلول های فتوسنتزی، همانطور که در نمودار نشان داده شده است، استفاده می شود.

تخمین زده می شود که سنتز یک مولکول گلوکز از CO 2 در چرخه کالوین به 12 NADP نیاز دارد. · H + H + و 18 ATP (12 مولکول ATP صرف احیای 3-فسفوگلیسرات می شود و 6 مولکول در واکنش های بازسازی ریبولوز دی فسفات استفاده می شود). حداقل نسبت - 3 ATP: 2 NADP · N 2.

می توان به اشتراک اصول زیربنایی فسفوریلاسیون فتوسنتزی و اکسیداتیو پی برد و فسفوریلاسیون فتوفسفوریلاسیون، همان طور که گفته شد، فسفوریلاسیون اکسیداتیو معکوس است:

انرژی نور نیروی محرکه فسفوریلاسیون و سنتز مواد آلی (S-H2) در طول فتوسنتز و برعکس، انرژی اکسیداسیون مواد آلی در طول فسفوریلاسیون اکسیداتیو است. بنابراین، این گیاهان هستند که برای حیوانات و سایر موجودات هتروتروف زندگی می کنند:

کربوهیدرات های تولید شده در طول فتوسنتز برای ساختن اسکلت های کربنی از مواد گیاهی آلی متعدد عمل می کنند. مواد ارگانونیتروژن توسط موجودات فتوسنتزی با کاهش نیترات های معدنی یا نیتروژن اتمسفر جذب می شوند و گوگرد با احیای سولفات ها به گروه های سولفیدریل اسیدهای آمینه جذب می شود. فتوسنتز در نهایت ساخت پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک، کربوهیدرات ها، لیپیدها، کوفاکتورهای ضروری برای زندگی را تضمین می کند، بلکه همچنین محصولات سنتز ثانویه متعددی را که مواد دارویی ارزشمندی هستند (آلکالوئیدها، فلاونوئیدها، پلی فنول ها، ترپن ها، استروئیدها، اسیدهای آلی و غیره) را تضمین می کند. ).

فتوسنتز غیر کلروفیل

فتوسنتز غیر کلروفیل در باکتری های نمک دوست که دارای رنگدانه حساس به نور بنفش هستند یافت می شود. معلوم شد که این رنگدانه پروتئین باکتریورودوپسین است که مانند ارغوانی بصری شبکیه چشم - رودوپسین - مشتقاتی از ویتامین A - شبکیه دارد. باکتریورودوپسین، ساخته شده در غشای باکتری های نمک دوست، در پاسخ به جذب نور توسط شبکیه که به ATP تبدیل می شود، روی این غشاء پتانسیل پروتون ایجاد می کند. بنابراین، باکتریورودوپسین یک مبدل انرژی نوری بدون کلروفیل است.

فتوسنتز و محیط خارجی

فتوسنتز تنها در حضور نور، آب و دی اکسید کربن امکان پذیر است. راندمان فتوسنتز در گونه های گیاهی کشت شده بیش از 20 درصد نیست و معمولاً از 6-7 درصد تجاوز نمی کند. در اتمسفر تقریباً 0.03٪ (حجم) CO 2 وجود دارد، هنگامی که محتوای آن به 0.1٪ افزایش می یابد، شدت فتوسنتز و بهره وری گیاه افزایش می یابد، بنابراین توصیه می شود گیاهان با بی کربنات تغذیه شوند. با این حال، محتوای CO 2 در هوا بیش از 1.0٪ تأثیر مضری بر فتوسنتز دارد. در یک سال، گیاهان زمینی به تنهایی 3 درصد از کل CO 2 جو زمین را جذب می کنند، یعنی حدود 20 میلیارد تن. تا 4 × 10 18 کیلوژول انرژی نوری در کربوهیدرات های سنتز شده از CO 2 انباشته می شود. این مربوط به ظرفیت نیروگاه 40 میلیارد کیلووات است. یک محصول جانبی فتوسنتز، اکسیژن، برای ارگانیسم های بالاتر و میکروارگانیسم های هوازی حیاتی است. حفظ پوشش گیاهی به معنای حفظ حیات روی زمین است.

کارایی فتوسنتز

کارایی فتوسنتز از نظر تولید زیست توده را می توان از طریق نسبت کل تابش خورشیدی که در یک منطقه خاص در یک زمان معین که در ماده آلی محصول ذخیره می شود، ارزیابی کرد. بهره وری سیستم را می توان با مقدار ماده خشک آلی بدست آمده در واحد سطح در سال ارزیابی کرد و بر حسب واحد جرم (کیلوگرم) یا انرژی (mJ) تولید به دست آمده در هکتار در سال بیان کرد.

بنابراین، بازده زیست توده به مساحت کلکتور انرژی خورشیدی (برگ‌ها) که در طول سال کار می‌کند و تعداد روزهایی در سال با چنین شرایط نوری که فتوسنتز با حداکثر سرعت امکان‌پذیر است، بستگی دارد، که کارایی کل فرآیند را تعیین می‌کند. . نتایج تعیین نسبت تابش خورشیدی (بر حسب درصد) در دسترس گیاهان (تابش فعال فتوسنتزی، PAR)، و آگاهی از فرآیندهای فتوشیمیایی و بیوشیمیایی اساسی و بازده ترمودینامیکی آنها، محاسبه حداکثر نرخ‌های احتمالی تشکیل مواد آلی را ممکن می‌سازد. مواد از نظر کربوهیدرات

گیاهان از نور با طول موج 400 تا 700 نانومتر استفاده می کنند، یعنی تابش فعال فتوسنتزی 50 درصد از کل نور خورشید را تشکیل می دهد. این مربوط به شدت در سطح زمین 800-1000 W/m2 برای یک روز آفتابی معمولی (به طور متوسط) است. میانگین حداکثر بازده تبدیل انرژی در طول فتوسنتز در عمل 5-6٪ است. این تخمین ها بر اساس مطالعات فرآیند اتصال CO 2، و همچنین تلفات فیزیولوژیکی و فیزیکی مرتبط به دست آمده است. یک مول CO 2 متصل به شکل کربوهیدرات با انرژی 0.47 مگا ژول مطابقت دارد و انرژی یک مول کوانتای نور قرمز با طول موج 680 نانومتر (کمترین نور مورد استفاده در فتوسنتز) 0.176 MJ است. بنابراین، حداقل تعداد مول کوانتای نور قرمز مورد نیاز برای اتصال 1 مول CO 2 0.47:0.176 = 2.7 است. با این حال، از آنجایی که انتقال چهار الکترون از آب برای تثبیت یک مولکول CO 2 به حداقل هشت کوانتا نور نیاز دارد، بازده اتصال نظری 2.7:8 = 33٪ است. این محاسبات برای نور قرمز انجام شده است. واضح است که برای نور سفید این مقدار به نسبت کمتر خواهد بود.

در بهترین شرایط مزرعه، راندمان تثبیت در گیاهان به 3 درصد می رسد، اما این تنها در دوره های کوتاه رشد امکان پذیر است و اگر در کل سال محاسبه شود، چیزی بین 1 تا 3 درصد خواهد بود.

در عمل، متوسط ​​بازده سالانه تبدیل انرژی فتوسنتزی در مناطق معتدل معمولاً 0.5-1.3٪ و برای محصولات نیمه گرمسیری - 0.5-2.5٪ است. بازدهی را که می توان در سطح معینی از شدت نور خورشید و بازده فتوسنتزی متفاوت انتظار داشت، به راحتی می توان از نمودارهای نشان داده شده در شکل تخمین زد. 9.

معنی فتوسنتز

• فرآیند فتوسنتز اساس تغذیه همه موجودات زنده است و همچنین سوخت، فیبر و ترکیبات شیمیایی مفید بی شماری را برای بشریت تامین می کند.
• حدود 90-95 درصد وزن خشک محصول از دی اکسید کربن و آب ترکیب شده از هوا در طی فتوسنتز تشکیل می شود.
• انسان حدود 7 درصد از محصولات فتوسنتزی را به عنوان غذا، خوراک دام، سوخت و مصالح ساختمانی استفاده می کند.

گیاهان هر آنچه را که برای رشد و نمو نیاز دارند از محیط دریافت می کنند. این تفاوت آنها با سایر موجودات زنده است. برای اینکه آنها به خوبی رشد کنند، به خاک حاصلخیز، آبیاری طبیعی یا مصنوعی و نور مناسب نیاز دارند. هیچ چیز در تاریکی رشد نخواهد کرد.

خاک منبع آب و ترکیبات آلی مغذی و ریز عناصر است. اما درختان، گل ها و علف نیز به انرژی خورشیدی نیاز دارند. تحت تأثیر نور خورشید است که واکنش های خاصی رخ می دهد که در نتیجه دی اکسید کربن جذب شده از هوا به اکسیژن تبدیل می شود. این فرآیند فتوسنتز نامیده می شود. واکنش شیمیایی که تحت تأثیر نور خورشید رخ می دهد نیز منجر به تشکیل گلوکز و آب می شود. این مواد برای رشد گیاه حیاتی هستند.

در زبان شیمیدانان، واکنش به این صورت است: 6CO2 + 12H2O + نور = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O. شکل ساده شده معادله: دی اکسید کربن + آب + نور = گلوکز + اکسیژن + آب.

به معنای واقعی کلمه، "فتوسنتز" به عنوان "همراه با نور" ترجمه می شود. این کلمه از دو کلمه ساده "عکس" و "سنتز" تشکیل شده است. خورشید منبع بسیار قوی انرژی است. مردم از آن برای تولید برق، عایق کاری خانه ها و گرم کردن آب استفاده می کنند. گیاهان همچنین برای حفظ حیات به انرژی از خورشید نیاز دارند. گلوکز که در طی فتوسنتز تولید می شود، قند ساده ای است که یکی از مهم ترین مواد مغذی است. گیاهان از آن برای رشد و نمو استفاده می کنند و مازاد آن در برگ ها، دانه ها و میوه ها رسوب می کند. تمام گلوکز در قسمت های سبز گیاهان و میوه ها بدون تغییر باقی نمی ماند. قندهای ساده تمایل دارند به قندهای پیچیده تری تبدیل شوند که شامل نشاسته است. گیاهان این ذخایر را در دوره های کمبود مواد مغذی مصرف می کنند. آنها ارزش غذایی گیاهان، میوه ها، گل ها، برگ ها را برای حیوانات و افرادی که غذاهای گیاهی می خورند تعیین می کنند.

گیاهان چگونه نور را جذب می کنند؟

فرآیند فتوسنتز بسیار پیچیده است، اما می توان آن را به طور خلاصه توصیف کرد تا حتی برای کودکان مدرسه ای قابل درک باشد. یکی از رایج ترین سوالات مربوط به مکانیسم جذب نور است. انرژی نور چگونه وارد گیاهان می شود؟ فرآیند فتوسنتز در برگها اتفاق می افتد. برگ های همه گیاهان حاوی سلول های سبز - کلروپلاست هستند. آنها حاوی ماده ای به نام کلروفیل هستند. کلروفیل رنگدانه ای است که به برگ ها رنگ سبز می دهد و وظیفه جذب انرژی نور را بر عهده دارد. بسیاری از مردم به این فکر نکرده اند که چرا برگ های بیشتر گیاهان پهن و مسطح هستند. معلوم می شود که طبیعت این را به دلیلی فراهم کرده است. سطح وسیع به شما اجازه می دهد نور خورشید را بیشتر جذب کنید. به همین دلیل، پنل های خورشیدی پهن و مسطح ساخته می شوند.

قسمت فوقانی برگها توسط یک لایه مومی (کوتیکول) از هدر رفتن آب و اثرات نامطلوب آب و هوا و آفات محافظت می شود. به آن Palisade می گویند. اگر به برگ دقت کنید، می بینید که قسمت بالایی آن روشن تر و صاف تر است. رنگ غنی به دلیل وجود کلروپلاست بیشتر در این قسمت به دست می آید. نور بیش از حد می تواند توانایی گیاه برای تولید اکسیژن و گلوکز را کاهش دهد. هنگامی که در معرض نور خورشید قرار می گیرید، کلروفیل آسیب می بیند و این امر فتوسنتز را کند می کند. کاهش سرعت نیز با فرا رسیدن پاییز رخ می دهد که نور کمتری وجود دارد و برگ ها به دلیل از بین رفتن کلروپلاست های موجود در آنها شروع به زرد شدن می کنند.

نقش آب در فتوسنتز و حفظ حیات گیاهی را نمی توان دست کم گرفت. آب برای موارد زیر مورد نیاز است:

• تهیه گیاهان با مواد معدنی محلول در آن؛
• حفظ لحن؛
• خنک کننده؛
• امکان وقوع واکنش های شیمیایی و فیزیکی

درختان، درختچه‌ها و گل‌ها با ریشه‌های خود آب را از خاک جذب می‌کنند و سپس رطوبت در امتداد ساقه بالا می‌رود و در امتداد رگبرگ‌هایی که حتی با چشم غیرمسلح نیز قابل مشاهده است به برگ‌ها منتقل می‌شود.

دی اکسید کربن از طریق سوراخ های کوچک در انتهای برگ - روزنه وارد می شود. در قسمت پایین برگ، سلول ها به گونه ای قرار گرفته اند که دی اکسید کربن می تواند به عمق بیشتری نفوذ کند. این همچنین به اکسیژن تولید شده توسط فتوسنتز اجازه می دهد تا به راحتی برگ را ترک کند. مانند همه موجودات زنده، گیاهان دارای توانایی تنفس هستند. علاوه بر این، بر خلاف حیوانات و مردم، دی اکسید کربن را جذب کرده و اکسیژن آزاد می کنند و برعکس. جایی که گیاهان زیاد است، هوا بسیار تمیز و تازه است. به همین دلیل است که مراقبت از درختان و درختچه ها و ایجاد باغ ها و پارک های عمومی در شهرهای بزرگ بسیار مهم است.

مراحل روشن و تاریک فتوسنتز

فرآیند فتوسنتز پیچیده است و از دو مرحله - روشن و تاریک تشکیل شده است. فاز نور فقط در حضور نور خورشید امکان پذیر است. هنگامی که در معرض نور قرار می گیرند، مولکول های کلروفیل یونیزه می شوند و در نتیجه انرژی ایجاد می شود که به عنوان کاتالیزور برای واکنش های شیمیایی عمل می کند. ترتیب وقایع رخ داده در این مرحله به شرح زیر است:

• نور به مولکول کلروفیل برخورد می کند که توسط رنگدانه سبز جذب می شود و آن را در حالت هیجانی قرار می دهد.
• تقسیم آب؛
• ATP سنتز می شود که یک انباشته کننده انرژی است.

فاز تاریک فتوسنتز بدون مشارکت انرژی نور رخ می دهد. در این مرحله گلوکز و اکسیژن تشکیل می شود. درک این نکته مهم است که تشکیل گلوکز و اکسیژن در تمام ساعات شبانه روز اتفاق می افتد و نه فقط در شب. فاز تاریک به این دلیل نامیده می شود که وجود نور دیگر برای رخ دادن آن ضروری نیست. کاتالیزور ATP است که قبلاً سنتز شده بود.

اهمیت فتوسنتز در طبیعت

فتوسنتز یکی از مهمترین فرآیندهای طبیعی است. نه تنها حفظ حیات گیاهی، بلکه برای تمام حیات روی این سیاره نیز ضروری است. فتوسنتز برای موارد زیر لازم است:

• تأمین غذای حیوانات و مردم؛
• حذف دی اکسید کربن و اشباع هوا با اکسیژن؛
• حفظ چرخه مواد مغذی

همه گیاهان به سرعت فتوسنتز بستگی دارند. انرژی خورشیدی را می توان به عنوان عاملی در نظر گرفت که باعث رشد یا جلوگیری از رشد می شود. به عنوان مثال، در مناطق و مناطق جنوبی آفتاب زیادی وجود دارد و گیاهان می توانند کاملاً بلند رشد کنند. اگر نحوه انجام این فرآیند در اکوسیستم‌های آبی را در نظر بگیریم، کمبود نور خورشید در سطح دریاها و اقیانوس‌ها وجود ندارد و رشد جلبک‌های فراوانی در این لایه‌ها مشاهده می‌شود. در لایه‌های عمیق‌تر آب کمبود انرژی خورشیدی وجود دارد که بر سرعت رشد فلور آبزی تأثیر می‌گذارد.

فرآیند فتوسنتز به تشکیل لایه اوزون در جو کمک می کند. این بسیار مهم است زیرا به محافظت از تمام زندگی روی کره زمین از اثرات مضر اشعه ماوراء بنفش کمک می کند.

هر برگ سبز کارخانه کوچکی از اکسیژن و مواد مغذی لازم برای انسان و حیوانات برای زندگی عادی است. فرآیند تولید این مواد از دی اکسید کربن و آب از جو، فتوسنتز نامیده می شود.

فتوسنتز فرآیند پیچیده ای است که با مشارکت مستقیم نور اتفاق می افتد. مفهوم "فتوسنتز" از دو کلمه یونانی گرفته شده است: "عکس" - نور و "سنتز" - ترکیب. فرآیند فتوسنتز شامل دو مرحله است: جذب کوانتوم های نور و استفاده از انرژی آنها در واکنش های شیمیایی مختلف، گیاه با کمک ماده سبز رنگی به نام کلروفیل نور را جذب می کند. کلروفیل در به اصطلاح کلروپلاست یافت می شود که می تواند در ساقه ها یا حتی میوه ها یافت شود. به خصوص در بسیاری از آنها وجود دارد، زیرا به لطف ساختار مسطح خود، برگ قادر به جذب نور بیشتری است و بر این اساس، انرژی بیشتری برای فتوسنتز دریافت می کند. پس از جذب، کلروفیل به مولکول های دیگر موجودات گیاهی، به ویژه مولکول هایی که در فتوسنتز نقش دارند، وارد می شود و انرژی را به آن منتقل می کند. مرحله دوم فرآیند بدون مشارکت اجباری کوانتوم های نور انجام می شود و شامل تشکیل پیوندهای شیمیایی با مشارکت آب و دی اکسید کربن به دست آمده از هوا است. در این مرحله مواد مختلف مفید برای زندگی مانند نشاسته سنتز می شود که این مواد آلی توسط خود گیاه برای تغذیه قسمت های مختلف آن و حفظ زندگی طبیعی استفاده می شود. علاوه بر این، این مواد با خوردن گیاهان و افرادی که غذاهایی با منشا گیاهی و حیوانی مصرف می کنند به دست می آید.فتوسنتز می تواند هم تحت تأثیر نور خورشید و هم تحت تأثیر نور مصنوعی رخ دهد. در طبیعت، گیاهان، به عنوان یک قاعده، در بهار و تابستان، زمانی که نور خورشید زیادی وجود دارد، به شدت "کار می کنند". در پاییز نور کمتر می شود، روزها کوتاه می شوند، برگ ها زرد می شوند و می ریزند. اما به محض اینکه خورشید گرم بهاری شروع به طلوع کرد، شاخ و برگ سبز دوباره ظاهر می شود و "کارخانه های" سبز دوباره کار خود را برای تامین اکسیژن لازم برای زندگی و سایر مواد مغذی آغاز می کنند.

ویدئو در مورد موضوع

همه موجودات زنده برای زنده ماندن به غذا نیاز دارند. موجودات هتروتروف - مصرف کنندگان - از ترکیبات آلی آماده استفاده می کنند، در حالی که خود تولیدکنندگان اتوتروف در فرآیند فتوسنتز و کموسنتز مواد آلی ایجاد می کنند. تولیدکنندگان اصلی روی زمین گیاهان سبز هستند.

این یک توالی از واکنش های شیمیایی شامل رنگدانه های فتوسنتزی است که در نتیجه مواد آلی از دی اکسید کربن و آب در نور ایجاد می شود. در معادله کلی، شش مولکول دی اکسید کربن با شش مولکول آب ترکیب می شوند و یک مولکول را تشکیل می دهند که برای تولید و ذخیره انرژی استفاده می شود. همچنین، در پایان واکنش، شش مولکول اکسیژن به عنوان یک "محصول جانبی" تشکیل می شود. فرآیند فتوسنتز از یک فاز روشن و تاریک تشکیل شده است. کوانتوم های نوری الکترون های مولکول کلروفیل را تحریک می کنند و آنها را به سطح انرژی بالاتری منتقل می کنند. همچنین، با مشارکت پرتوهای نور، فتولیز آب رخ می دهد - تقسیم یک مولکول آب به کاتیون های هیدروژن، الکترون های با بار منفی و یک مولکول اکسیژن آزاد. انرژی ذخیره شده در پیوندهای مولکولی به آدنوزین تری فسفات (ATP) تبدیل می شود و در مرحله دوم فتوسنتز آزاد می شود. در فاز تاریک، دی اکسید کربن مستقیماً با تشکیل گلوکز ترکیب می شود. شرط لازم برای فتوسنتز در سلول ها رنگدانه سبز - کلروفیل است، بنابراین در گیاهان سبز و برخی از باکتری های فتوسنتزی رخ می دهد. فرآیندهای فتوسنتزی سیاره را با زیست توده آلی، اکسیژن اتمسفر و در نتیجه یک سپر محافظ ازن برای سیاره فراهم می کند. علاوه بر این، غلظت دی اکسید کربن را در جو کاهش می دهند. علاوه بر فتوسنتز، دی اکسید کربن می تواند از طریق شیمی سنتز به ماده آلی تبدیل شود که در غیاب واکنش های نوری با اولی متفاوت است. شیمی‌سینتتیک‌ها از نور به عنوان منبع انرژی و انرژی واکنش‌های شیمیایی ردوکس استفاده می‌کنند. به عنوان مثال، باکتری های نیتریفیک آمونیاک را به اسید نیتروژن و نیتریک اکسید می کنند، باکتری های آهن آهن آهن را به آهن آهن تبدیل می کنند، باکتری های گوگردی سولفید هیدروژن را به گوگرد یا اسید سولفوریک اکسید می کنند. تمام این واکنش ها انرژی آزاد می کنند که متعاقباً برای سنتز مواد آلی استفاده می شود. فقط انواع خاصی از باکتری ها قادر به شیمی سنتز هستند. باکتری‌های شیمی‌سنتتیک اکسیژن اتمسفر تولید نمی‌کنند و مقادیر زیادی زیست توده را جمع نمی‌کنند، اما سنگ‌ها را از بین می‌برند، در تشکیل مواد معدنی شرکت می‌کنند و فاضلاب را تصفیه می‌کنند. نقش بیوژئوشیمیایی کموسنتز تضمین چرخه نیتروژن، گوگرد، آهن و سایر عناصر در طبیعت است.

ویدئو در مورد موضوع

بهتر است چنین مطالب حجیمی مانند فتوسنتز را در دو درس زوج توضیح دهید - در این صورت یکپارچگی درک موضوع از بین نمی رود. درس باید با تاریخچه مطالعه فتوسنتز، ساختار کلروپلاست ها و کار آزمایشگاهی در مورد مطالعه کلروپلاست برگ شروع شود. پس از این، لازم است به بررسی مراحل روشن و تاریک فتوسنتز پرداخت. هنگام توضیح واکنش های رخ داده در این مراحل، لازم است یک نمودار کلی ترسیم شود:

همانطور که توضیح می دهید، باید نقاشی کنید نمودار فاز نور فتوسنتز.

1. جذب یک کوانتوم نور توسط یک مولکول کلروفیل که در غشاهای تیلاکوئید گرانا قرار دارد منجر به از دست دادن یک الکترون و انتقال آن به حالت برانگیخته می شود. الکترون ها در طول زنجیره انتقال الکترون منتقل می شوند و در نتیجه NADP + به NADP H کاهش می یابد.

2. محل الکترون های آزاد شده در مولکول های کلروفیل توسط الکترون های مولکول های آب گرفته می شود - اینگونه است که آب تحت تأثیر نور تجزیه می شود (فتولیز). هیدروکسیل های حاصله OH– تبدیل به رادیکال می شوند و در واکنش 4 OH – → 2 H 2 O + O 2 ترکیب می شوند و منجر به آزاد شدن اکسیژن آزاد در جو می شود.

3. یون‌های هیدروژن H+ به غشای تیلاکوئید نفوذ نمی‌کنند و در داخل انباشته می‌شوند و به طور مثبت آن را شارژ می‌کنند که منجر به افزایش اختلاف پتانسیل الکتریکی (EPD) در سراسر غشای تیلاکوئید می‌شود.

4. هنگامی که REF بحرانی به دست می آید، پروتون ها از طریق کانال پروتون به بیرون هجوم می آورند. این جریان از ذرات با بار مثبت برای تولید انرژی شیمیایی با استفاده از یک کمپلکس آنزیمی خاص استفاده می شود. مولکول های ATP حاصل به داخل استروما حرکت می کنند، جایی که در واکنش های تثبیت کربن شرکت می کنند.

5. یون‌های هیدروژن آزاد شده به سطح غشای تیلاکوئید با الکترون‌ها ترکیب می‌شوند و هیدروژن اتمی را تشکیل می‌دهند که برای بازیابی ناقل NADP + استفاده می‌شود.

اسپانسر مقاله گروه شرکت های آریس است. تولید، فروش و اجاره داربست (نمای قاب LRSP، قاب بلند A-48 و ...) و برج (PSRV "Aris"، PSRV "Aris compact" و "Aris-dacha"، سکوها). گیره داربست، حصار ساختمانی، تکیه گاه چرخ برای برج ها. می توانید اطلاعات بیشتری در مورد شرکت بیابید، کاتالوگ محصولات و قیمت ها، مخاطبین را در وب سایتی که در آدرس زیر قرار دارد مشاهده کنید: http://www.scaffolder.ru/.

پس از بررسی این موضوع و تحلیل مجدد آن بر اساس نمودار، از دانش آموزان دعوت می کنیم تا جدول را پر کنند.

جدول. واکنش فازهای روشن و تاریک فتوسنتز

پس از پر کردن قسمت اول جدول، می توانید به تجزیه و تحلیل بروید فاز تاریک فتوسنتز.

در استرومای کلروپلاست، پنتوزها به طور مداوم وجود دارند - کربوهیدرات ها، که ترکیبات پنج کربنی هستند که در چرخه کالوین (چرخه تثبیت دی اکسید کربن) تشکیل می شوند.

1. دی اکسید کربن به پنتوز اضافه می شود و یک ترکیب شش کربنه ناپایدار تشکیل می دهد که به دو مولکول اسید 3 فسفوگلیسریک (PGA) تجزیه می شود.

2. مولکول های PGA یک گروه فسفات را از ATP می پذیرند و با انرژی غنی می شوند.

3. هر یک از FHA ها یک اتم هیدروژن را از دو حامل متصل می کند و به یک تریوز تبدیل می شود. تریوزها برای تشکیل گلوکز و سپس نشاسته ترکیب می شوند.

4. مولکول های تریوز، با ترکیب در ترکیب های مختلف، پنتوز را تشکیل می دهند و دوباره در چرخه قرار می گیرند.

واکنش کل فتوسنتز:

طرح. فرآیند فتوسنتز

تست

1. فتوسنتز در اندامک ها اتفاق می افتد:

الف) میتوکندری؛
ب) ریبوزوم ها؛
ج) کلروپلاست.
د) کروموپلاست ها.

2. رنگدانه کلروفیل در موارد زیر متمرکز می شود:

الف) غشای کلروپلاست؛
ب) استروما؛
ج) غلات

3. کلروفیل نور را در ناحیه طیف جذب می کند:

الف) قرمز؛
ب) سبز؛
ج) بنفش؛
د) در کل منطقه

4. اکسیژن آزاد در طول فتوسنتز در طی تجزیه موارد زیر آزاد می شود:

الف) دی اکسید کربن؛
ب) ATP؛
ج) NADP؛
د) آب

5. اکسیژن آزاد در موارد زیر تشکیل می شود:

الف) فاز تاریک؛
ب) فاز سبک

6. در مرحله نور فتوسنتز، ATP:

الف) سنتز شده؛
ب) تقسیم می شود.

7. در کلروپلاست، کربوهیدرات اولیه در موارد زیر تشکیل می شود:

الف) فاز نور؛
ب) فاز تاریک.

8. NADP در کلروپلاست ضروری است:

1) به عنوان یک تله برای الکترون ها.
2) به عنوان یک آنزیم برای تشکیل نشاسته؛
3) به عنوان بخشی جدایی ناپذیر از غشای کلروپلاست.
4) به عنوان آنزیمی برای فتولیز آب.

9. فتولیز آب عبارت است از:

1) تجمع آب تحت تأثیر نور.
2) تجزیه آب به یون تحت تأثیر نور.
3) انتشار بخار آب از طریق روزنه.
4) تزریق آب به برگها تحت تأثیر نور.

10. تحت تأثیر کوانتوم های نور:

1) کلروفیل به NADP تبدیل می شود.
2) یک الکترون از مولکول کلروفیل خارج می شود.
3) حجم کلروپلاست افزایش می یابد.
4) کلروفیل به ATP تبدیل می شود.

ادبیات

بوگدانوا T.P.، Solodova E.A.زیست شناسی. کتاب راهنمای دانش آموزان دبیرستانی و متقاضیان ورود به دانشگاه. - M.: LLC "AST-Press School"، 2007.