Vai esat kādreiz aizdomājies, cik daudz dzīvo organismu ir uz planētas?! Galu galā viņiem visiem ir jāieelpo skābeklis, lai radītu enerģiju un izelpotu oglekļa dioksīdu. Tieši oglekļa dioksīds ir galvenais cēlonis tādai parādībai kā aizlikts telpā. Tas notiek, kad tajā ir daudz cilvēku, un telpa ilgstoši netiek vēdināta. Turklāt rūpniecības objekti, privātie automobiļi un sabiedriskais transports piepilda gaisu ar toksiskām vielām.
Ņemot vērā iepriekš minēto, rodas pilnīgi loģisks jautājums: kā tad mēs nenosmakām, ja visa dzīvība ir indīga oglekļa dioksīda avots? Visu dzīvo būtņu glābējs šajā situācijā ir fotosintēze. Kas ir šis process un kāpēc tas ir nepieciešams?
Tā rezultāts ir oglekļa dioksīda līdzsvara regulēšana un gaisa piesātinājums ar skābekli. Šāds process ir zināms tikai floras pasaules pārstāvjiem, tas ir, augiem, jo tas notiek tikai viņu šūnās.
Pati fotosintēze ir ārkārtīgi sarežģīta procedūra, kas ir atkarīga no noteiktiem apstākļiem un notiek vairākosposmi.
Jēdziena definīcija
Saskaņā ar zinātnisko definīciju, fotosintēzes laikā autotrofiskajos organismos, pakļaujoties saules gaismai, organiskās vielas pārvēršas organiskās vielās.
Vienkāršāk sakot, fotosintēze ir process, kurā notiek:
- Augs ir piesātināts ar mitrumu. Mitruma avots var būt ūdens no zemes vai mitrs tropu gaiss.
- Hlorofils (īpaša viela, kas atrodama augos) reaģē uz saules enerģiju.
- Floras pārstāvjiem nepieciešamās barības veidošanās, kuru paši heterotrofiski nav spējīgi iegūt, bet paši ir tās ražotāji. Citiem vārdiem sakot, augi ēd to, ko tie ražo. Tas ir fotosintēzes rezultāts.
Pirmais posms
Praktiski katrs augs satur kādu zaļu vielu, pateicoties kurai tas spēj absorbēt gaismu. Šī viela nav nekas vairāk kā hlorofils. Tās atrašanās vieta ir hloroplasti. Bet hloroplasti atrodas auga stumbra daļā un tā augļos. Bet lapu fotosintēze dabā ir īpaši izplatīta. Tā kā pēdējais ir diezgan vienkāršs savā struktūrā un ar salīdzinoši lielu virsmu, tas nozīmē, ka glābšanas procesa norisei nepieciešamais enerģijas daudzums būs daudz lielāks.
Kad hlorofils absorbē gaismu, pēdējais ir satraukts unpārraida enerģijas ziņojumus citām auga organiskajām molekulām. Visvairāk šādas enerģijas nonāk fotosintēzes procesa dalībniekiem.
Otrais posms
Fotosintēzes veidošanai otrajā posmā nav nepieciešama obligāta gaismas līdzdalība. Tas sastāv no ķīmisko saišu veidošanās, izmantojot indīgu oglekļa dioksīdu, kas veidojas no gaisa masām un ūdens. Ir arī daudzu vielu sintēze, kas nodrošina floras pārstāvju vitālo darbību. Tā ir ciete, glikoze.
Augos šādi organiskie elementi darbojas kā barības avots atsevišķām auga daļām, vienlaikus nodrošinot normālu dzīvības procesu norisi. Šādas vielas iegūst arī faunas pārstāvji, kas pārtikā ēd augus. Cilvēka ķermenis tiek piesātināts ar šīm vielām ar pārtiku, kas tiek iekļauta ikdienas uzturā.
Kas? Kur? Kad?
Lai organiskās vielas kļūtu par organiskām, nepieciešams nodrošināt atbilstošus apstākļus fotosintēzei. Apskatāmajam procesam, pirmkārt, ir nepieciešama gaisma. Mēs runājam par mākslīgo un saules gaismu. Dabā augu darbību parasti raksturo intensitāte pavasarī un vasarā, tas ir, kad ir nepieciešams liels saules enerģijas daudzums. Ko gan nevar teikt par rudens sezonu, kad gaismas paliek arvien mazāk, diena kļūst īsāka. Tā rezultātā lapotne kļūst dzeltena un pēc tam pilnībā nokrīt. Bet, tiklīdz uzspīdēs pirmie pavasara saules stari, pacelsies zaļa zāle, tie tūlīt atsāks savu darbību.hlorofilus, un sāksies aktīva skābekļa un citu vitāli svarīgu uzturvielu ražošana.
Fotosintēzes nosacījumi ietver ne tikai gaismu. Arī mitrumam jābūt pietiekamam. Galu galā augs vispirms absorbē mitrumu, un pēc tam sākas reakcija ar saules enerģijas piedalīšanos. Augu barība ir šī procesa rezultāts.
Tikai zaļās vielas klātbūtnē notiek fotosintēze. Kas ir hlorofili, mēs jau teicām iepriekš. Tie darbojas kā sava veida vadītājs starp gaismas vai saules enerģiju un pašu augu, nodrošinot pareizu to dzīves un darbības gaitu. Zaļajām vielām ir spēja absorbēt daudzus saules starus.
Nozīmīga loma ir arī skābeklim. Lai fotosintēzes process noritētu veiksmīgi, augiem tā nepieciešams daudz, jo tajā ir tikai 0,03% ogļskābes. Tātad no 20 000 m3 gaisa jūs varat iegūt 6 m3 skābes. Tieši pēdējā viela ir galvenais glikozes izejmateriāls, kas, savukārt, ir dzīvībai nepieciešama viela.
Ir divi fotosintēzes posmi. Pirmo sauc par gaišo, otro par tumšo.
Kāds ir gaismas skatuves plūsmas mehānisms
Fotosintēzes gaismas stadijai ir cits nosaukums – fotoķīmiskā. Galvenie dalībnieki šajā posmā ir:
- saules enerģija;
- dažādi pigmenti.
Ar pirmo komponentu viss ir skaidrs, tā ir saules gaisma. BETtādi ir pigmenti, ne visi zina. Tie ir zaļi, dzelteni, sarkani vai zili. "A" un "B" grupas hlorofili pieder attiecīgi zaļajam, fikobilīni - dzeltenajam un sarkanajam / zilajam. Fotoķīmisko aktivitāti dalībnieku vidū šajā procesa posmā uzrāda tikai hlorofili "A". Pārējiem ir papildinoša loma, kuras būtība ir gaismas kvantu savākšana un transportēšana uz fotoķīmisko centru.
Tā kā hlorofils ir apveltīts ar spēju efektīvi absorbēt saules enerģiju noteiktā viļņa garumā, ir noteiktas šādas fotoķīmiskās sistēmas:
- Fotoķīmiskais centrs 1 (zaļās grupas "A" vielas) - sastāvā iekļauts pigments 700, kas absorbē gaismas starus, kuru garums ir aptuveni 700 nm. Šim pigmentam ir būtiska loma fotosintēzes gaismas stadijas produktu radīšanā.
- Fotoķīmiskais centrs 2 ("B" grupas zaļās vielas) - sastāvā ietilpst pigments 680, kas absorbē gaismas starus, kuru garums ir 680 nm. Viņam ir sekundāra loma, kas sastāv no fotoķīmiskā centra 1 zaudēto elektronu papildināšanas funkcijas. To panāk šķidruma hidrolīzes rezultātā.
350–400 pigmenta molekulām, kas koncentrē gaismas plūsmas 1. un 2. fotosistēmā, ir tikai viena pigmenta molekula, kas ir fotoķīmiski aktīva - “A” grupas hlorofils.
Kas notiek?
1. Gaismas enerģija, ko absorbē augs, ietekmē tajā esošo pigmentu 700, kas mainās no parastā stāvokļa uz ierosināto stāvokli. Pigments zaudēelektronu, kā rezultātā veidojas tā sauktais elektronu caurums. Turklāt pigmenta molekula, kas ir zaudējusi elektronu, var darboties kā tās akceptors, tas ir, puse, kas uztver elektronu, un atgriezties savā formā.
2. Šķidruma sadalīšanās process fotosistēmas 2. gaismas absorbējošā pigmenta 680 fotoķīmiskajā centrā. Ūdens sadalīšanās laikā veidojas elektroni, kurus sākotnēji pieņem tāda viela kā citohroms C550 un apzīmē ar burtu Q. Tad, no citohroma elektroni nonāk nesējķēdē un tiek transportēti uz fotoķīmisko centru 1, lai papildinātu elektronu caurumu, kas radās gaismas kvantu iespiešanās un pigmenta 700 reducēšanās procesa rezultātā.
Ir gadījumi, kad šāda molekula atgūst elektronu, kas ir identisks iepriekšējam. Tā rezultātā izdalīsies gaismas enerģija siltuma veidā. Bet gandrīz vienmēr elektrons ar negatīvu lādiņu savienojas ar īpašiem dzelzs-sēra proteīniem un tiek pārnests pa vienu no ķēdēm uz pigmentu 700 vai arī nonāk citā nesēja ķēdē un atkal savienojas ar pastāvīgu akceptoru.
Pirmajā variantā ir ciklisks slēgta tipa elektronu transports, otrajā - neciklisks.
Abus procesus fotosintēzes pirmajā posmā katalizē viena un tā pati elektronu nesēju ķēde. Bet jāņem vērā, ka cikliskā tipa fotofosforilēšanas laikā transportēšanas sākuma un tajā pašā laikā beigu punkts ir hlorofils, savukārt necikliskā transportēšana nozīmē "B" grupas zaļās vielas pāreju uz.hlorofils "A".
Cikliskā transporta iezīmes
Ciklisko fosforilāciju sauc arī par fotosintētisko. Šī procesa rezultātā veidojas ATP molekulas. Šīs transportēšanas pamatā ir elektronu atgriešanās ierosinātā stāvoklī pigmentā 700 vairākos secīgos posmos, kā rezultātā tiek atbrīvota enerģija, kas piedalās fosforilējošo enzīmu sistēmas darbā, lai tālāk akumulētu ATP fosfātu. obligācijas. Tas nozīmē, ka enerģija netiek izkliedēta.
Cikliskā fosforilēšana ir primārā fotosintēzes reakcija, kuras pamatā ir ķīmiskās enerģijas ģenerēšanas tehnoloģija uz hloroplastu tilaktoīdu membrānu virsmām, izmantojot saules gaismas enerģiju.
Bez fotosintētiskās fosforilēšanas nav iespējamas asimilācijas reakcijas fotosintēzes tumšajā fāzē.
Necikliskā tipa pārvadāšanas nianses
Process sastāv no NADP+ atjaunošanas un NADPH veidošanās. Mehānisms ir balstīts uz elektrona pārnešanu uz ferredoksīnu, tā reducēšanas reakciju un sekojošu pāreju uz NADP+ ar tālāku reducēšanu uz NADPH.
Tā rezultātā elektroni, kas zaudēja pigmentu 700, tiek papildināti, pateicoties ūdens elektroniem, kas sadalās gaismas staru ietekmē fotosistēmā 2.
Elektronu necikliskais ceļš, kura plūsma ietver arī gaismas fotosintēzi, tiek veikta, mijiedarbojoties abām fotosistēmām savā starpā, savienojot to elektronu transportēšanas ķēdes. Gaismasenerģija virza elektronu plūsmu atpakaļ. Pārvadājot no fotoķīmiskā centra 1 uz centru 2, elektroni zaudē daļu savas enerģijas, jo tie uzkrājas kā protonu potenciāls uz tilaktoīdu membrānas virsmas.
Fotosintēzes tumšajā fāzē protonu tipa potenciāla radīšanas process elektronu transporta ķēdē un tā izmantošana ATP veidošanai hloroplastos ir gandrīz pilnīgi identisks tam pašam procesam mitohondrijās. Bet funkcijas joprojām pastāv. Tilaktoīdi šajā situācijā ir mitohondriji, kas apgriezti uz āru. Tas ir galvenais iemesls, kāpēc elektroni un protoni pārvietojas pa membrānu pretējā virzienā attiecībā pret transporta plūsmu mitohondriju membrānā. Elektroni tiek transportēti uz ārpusi, bet protoni tiek uzkrāti tilaktiskās matricas iekšpusē. Pēdējais pieņem tikai pozitīvu lādiņu, un tilaktoīda ārējā membrāna ir negatīva. No tā izriet, ka protonu tipa gradienta ceļš ir pretējs tā ceļam mitohondrijās.
Nākamo iezīmi var saukt par lielu pH līmeni protonu potenciālā.
Trešā iezīme ir tikai divu konjugācijas vietu klātbūtne tilaktoīdajā ķēdē, un rezultātā ATP molekulas attiecība pret protoniem ir 1:3.
Secinājums
Pirmajā posmā fotosintēze ir gaismas enerģijas (mākslīgās un nemākslīgās) mijiedarbība ar augu. Zaļās vielas reaģē uz stariem - hlorofili, no kuriem lielākā daļa ir atrodami lapās.
ATP un NADPH veidošanās ir šādas reakcijas rezultāts. Šie produkti ir būtiski, lai notiktu tumšas reakcijas. Tāpēc gaišais posms ir obligāts process, bez kura otrais posms - tumšais posms - nenotiks.
Tumšā stadija: būtība un īpašības
Tumšā fotosintēze un tās reakcijas ir process, kurā oglekļa dioksīds tiek pārvērsts organiskas izcelsmes vielās, iegūstot ogļhidrātus. Šādas reakcijas notiek hloroplasta stromā un fotosintēzes pirmās stadijas produktos - tajos aktīvi piedalās gaisma.
Fotosintēzes tumšās stadijas mehānisms ir balstīts uz oglekļa dioksīda asimilācijas procesu (sauktu arī par fotoķīmisko karboksilāciju, Kalvina ciklu), kam raksturīgs cikliskums. Sastāv no trim fāzēm:
- Karboksilēšana - CO pievienošana2.
- Atkopšanas fāze.
- Ribulozes difosfāta reģenerācijas fāze.
Ribulofosfātu, cukuru ar pieciem oglekļa atomiem, fosforilē ATP, kā rezultātā veidojas ribulozes difosfāts, kas tiek tālāk karboksilēts, savienojoties ar CO2 produktu ar sešiem oglekļa atomiem, kas uzreiz sadalās, mijiedarbojoties ar ūdens molekulu, veidojot divas molekulāras fosfoglicerīnskābes daļiņas. Pēc tam šī skābe tiek pilnībā reducēta, īstenojot enzīmu reakciju, kurai ir nepieciešama ATP un NADP klātbūtne, lai izveidotu cukuru ar trīs oglekļa atomiem - trīsoglekļa cukuru, triozi vai aldehīdu.fosfoglicerīns. Kad divas šādas triozes kondensējas, tiek iegūta heksozes molekula, kas var kļūt par cietes molekulas neatņemamu sastāvdaļu un tikt atkļūdota rezervē.
Šī fāze beidzas ar vienas CO molekulas absorbciju fotosintēzes procesā2 un trīs ATP molekulu un četru H atomu izmantošanu. Heksozes fosfāts ir piemērots reakcijām Pentozes fosfāta cikla laikā tiek reģenerēts ribulozes fosfāts, kas var rekombinēties ar citu ogļskābes molekulu.
Karboksilēšanas, atjaunošanas, reģenerācijas reakcijas nevar saukt par specifiskām tikai tai šūnai, kurā notiek fotosintēze. Jūs arī nevarat pateikt, kas ir “viendabīga” procesu norise, jo atšķirība joprojām pastāv - atkopšanas procesā tiek izmantots NADPH, nevis OVERH.
CO2 pievienošanu ar ribulozes difosfātu katalizē ribulozes difosfāta karboksilāze. Reakcijas produkts ir 3-fosfoglicerāts, ko NADPH2 un ATP reducē par gliceraldehīda-3-fosfātu. Redukcijas procesu katalizē gliceraldehīda-3-fosfāta dehidrogenāze. Pēdējais viegli pārvēršas par dihidroksiacetona fosfātu. veidojas fruktozes bisfosfāts. Dažas tā molekulas piedalās ribulozes difosfāta reģenerācijas procesā, noslēdzot ciklu, bet otrā daļa tiek izmantota, lai izveidotu ogļhidrātu rezerves fotosintēzes šūnās, tas ir, notiek ogļhidrātu fotosintēze.
Gaismas enerģija ir nepieciešama organisko vielu fosforilēšanai un sintēzeiizcelsme, un oksidatīvajai fosforilēšanai ir nepieciešama organisko vielu oksidācijas enerģija. Tāpēc veģetācija nodrošina dzīvību dzīvniekiem un citiem heterotrofiskiem organismiem.
Fotosintēze augu šūnā notiek šādā veidā. Tās produkts ir ogļhidrāti, kas nepieciešami, lai izveidotu oglekļa skeletus daudzām floras pasaules pārstāvju vielām, kuras ir organiskas izcelsmes.
Slāpekļa-organiskā tipa vielas tiek asimilētas fotosintētiskajos organismos neorganisko nitrātu reducēšanās dēļ, bet sērs - sulfātu reducēšanās rezultātā līdz aminoskābju sulfhidrilgrupām. Nodrošina olb altumvielu, nukleīnskābju, lipīdu, ogļhidrātu, kofaktoru veidošanos, proti, fotosintēzi. Jau tika uzsvērts, kas ir augiem vitāli svarīgs vielu "sortiments", bet ne vārda netika runāts par sekundārās sintēzes produktiem, kas ir vērtīgas ārstnieciskas vielas (flavonoīdi, alkaloīdi, terpēni, polifenoli, steroīdi, organiskās skābes u.c.). Tāpēc bez pārspīlējuma varam teikt, ka fotosintēze ir augu, dzīvnieku un cilvēku dzīves atslēga.
