Rationale Ungleichheiten und ihre Systeme. Lösen ganzzahliger und gebrochener rationaler Ungleichungen. Erhebung und Nutzung personenbezogener Daten

Vergleich der Phasen der Photosynthese

Infolgedessen sieht die Gesamtgleichung der beiden Phasen der Photosynthese wie folgt aus:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

1. Lichtphase der Photosynthese

Die Lichtphase ist ein Stadium, in dem Reaktionen die Absorption eines Sonnenenergiequants erfordern. Sein Zweck besteht darin, die Lichtenergie der Sonne in die chemische Energie von ATP-Molekülen und anderen energiereichen Molekülen umzuwandeln. Diese Reaktionen laufen kontinuierlich ab, lassen sich aber leichter untersuchen, wenn man sie in drei Phasen unterteilt:

1 . a) Licht, das auf Chlorophyll trifft, verleiht ihm genug Energie, sodass ein Elektron aus dem Molekül entfernt werden kann;

b) Von Chlorophyll freigesetzte Elektronen werden von Trägerproteinen, die zusammen mit Chlorophyll in die Thylakoidmembran eingebaut sind, eingefangen und durch den ATP-Synthetase-Kanal zur dem Stroma zugewandten Seite der Membran transportiert;

c) Im Stroma befindet sich immer eine Substanz, die Wasserstoff trägt, NADP + (Nikotinamidadenindinukleotidphosphat). Diese Verbindung fängt durch Licht angeregte E- und Protonen ein, die immer im Stroma vorhanden sind, und wird reduziert und in NADP H 2 umgewandelt.

2 . Wassermoleküle zerfallen unter Lichteinwirkung (Photolyse von Wasser): Es entstehen Elektronen, H + und O 2. Elektronen ersetzen das in Stufe 1 durch Chlorophyll verlorene E. Protonen füllen das Protonenreservoir wieder auf, das in Stufe 3 verwendet wird. Sauerstoff bewegt sich aus der Zelle in die Atmosphäre.

3 . Protonen Sie versuchen, über den ATP-Synthase-Kanal auszutreten, können es aber nicht. Nach einiger Zeit werden durch die Kraft eines elektrischen Stroms Protonen aus dem Thylakoid herausgeschleudert. Protonen strömen vom Thylakoid nach außen – in das Stroma. Am Ausgang entsteht ein hohes Maß an Energie, die zur ATP-Synthese – nichtzyklische Phosphorylierung (ADP + Ph n = ATP) – genutzt wird. Die entstehenden ATP-Moleküle wandern in das Stroma, wo sie an den Reaktionen der Kohlenhydratbildung teilnehmen.

Also das Ergebnis der Lichtphase:

die Bildung energiereicher Moleküle ATP und NADP H 2,

Nebenprodukt – O 2?.

2. Dunkle Phase der Photosynthese

Diese Phase findet im Stroma des Chloroplasten statt, wo CO 2 aus der Luft sowie die Produkte der leichten Phase ATP und NADP H 2 stammen. Hier werden diese Verbindungen in einer Reihe von Reaktionen verwendet, bei denen CO 2 in Form von Kohlenhydraten angereichert wird, dieser Prozess ist Calvin-Zyklus(Nobelpreis 1961).

Um ein Glukosemolekül zu erzeugen, muss der Zyklus sechsmal wiederholt werden: Jedes Mal wird ein Kohlenstoffatom aus CO 2 zum festen Kohlenstoffbestand der Pflanze hinzugefügt.

ADP, Phn und NADP + aus dem Calvin-Zyklus kehren an die Oberfläche der Membranen zurück und werden erneut in ATP und NADP H 2 umgewandelt.

Tagsüber, wenn die Sonne scheint, hört die aktive Bewegung dieser Moleküle in den Chloroplasten nicht auf: Sie huschen wie Shuttles hin und her und verbinden so zwei unabhängige Reaktionsreihen. Da es in Chloroplasten nur wenige dieser Moleküle gibt, werden ATP und NADP H 2 tagsüber, im Licht und nach Sonnenuntergang bei Kohlenstofffixierungsreaktionen schnell verbraucht. Die Photosynthese stoppt dann bis zum Morgengrauen. Mit Sonnenaufgang beginnt die Synthese von ATP und NADP·H 2 erneut und die Kohlenstofffixierung setzt bald wieder ein.

Ergebnis der Dunkelphase: die Bildung von Glukose.

Durch die Photosynthese wird Lichtenergie in die Energie chemischer Bindungen in den Molekülen organischer Substanzen umgewandelt. Und Pflanzen also, ich fungieren als Vermittler zwischen dem Kosmos und dem Leben auf der Erde.“ Das ist das Tolle Raumrolle(VERWENDEN!) Grünpflanzen!

- Synthese organischer Stoffe aus Kohlendioxid und Wasser unter obligatorischer Nutzung von Lichtenergie:

6CO 2 + 6H 2 O + Q Licht → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

Bei höheren Pflanzen ist das Organ der Photosynthese das Blatt und die Organellen der Photosynthese sind die Chloroplasten (Aufbau der Chloroplasten – Vorlesung Nr. 7). Die Membranen der Chloroplasten-Thylakoide enthalten photosynthetische Pigmente: Chlorophylle und Carotinoide. Es gibt verschiedene Arten von Chlorophyll ( A B C D), das wichtigste ist Chlorophyll A. Im Chlorophyllmolekül kann man einen Porphyrin-„Kopf“ mit einem Magnesiumatom im Zentrum und einen Phytol-„Schwanz“ unterscheiden. Der Porphyrin-„Kopf“ ist eine flache Struktur, hydrophil und liegt daher auf der Oberfläche der Membran, die der wässrigen Umgebung des Stromas zugewandt ist. Der Phytol-„Schwanz“ ist hydrophob und hält dadurch das Chlorophyllmolekül in der Membran zurück.

Chlorophylle absorbieren rotes und blauviolettes Licht, reflektieren grünes Licht und verleihen Pflanzen so ihre charakteristische grüne Farbe. Chlorophyllmoleküle in Thylakoidmembranen sind in organisiert Fotosysteme. Pflanzen und Blaualgen verfügen über das Photosystem 1 und das Photosystem 2, während photosynthetische Bakterien über das Photosystem 1 verfügen. Nur Photosystem 2 kann Wasser zersetzen, um Sauerstoff freizusetzen und dem Wasserstoff des Wassers Elektronen zu entziehen.

Die Photosynthese ist ein komplexer, mehrstufiger Prozess. Photosynthesereaktionen werden in zwei Gruppen unterteilt: Reaktionen Lichtphase und Reaktionen dunkle Phase.

Lichtphase

Diese Phase findet nur in Gegenwart von Licht in Thylakoidmembranen unter Beteiligung von Chlorophyll, Elektronentransportproteinen und dem Enzym ATP-Synthetase statt. Unter dem Einfluss eines Lichtquants werden Chlorophyllelektronen angeregt, verlassen das Molekül und dringen in die Außenseite der Thylakoidmembran ein, die schließlich negativ geladen wird. Oxidierte Chlorophyllmoleküle werden reduziert und entziehen dem im Intrathylakoidraum befindlichen Wasser Elektronen. Dies führt zum Abbau bzw. zur Photolyse von Wasser:

H 2 O + Q Licht → H + + OH - .

Hydroxylionen geben ihre Elektronen ab und werden zu reaktiven Radikalen.OH:

OH - → .OH + e - .

OH-Radikale verbinden sich zu Wasser und freiem Sauerstoff:

4NEIN. → 2H 2 O + O 2.

Dabei wird Sauerstoff an die äußere Umgebung abgegeben und Protonen sammeln sich im Thylakoid im „Protonenreservoir“. Dadurch wird die Thylakoidmembran einerseits durch H+ positiv und andererseits durch Elektronen negativ geladen. Wenn die Potentialdifferenz zwischen der Außen- und Innenseite der Thylakoidmembran 200 mV erreicht, werden Protonen durch die ATP-Synthetase-Kanäle gedrückt und ADP wird zu ATP phosphoryliert; Atomarer Wasserstoff wird verwendet, um den spezifischen Träger NADP + (Nicotinamidadenindinukleotidphosphat) zu NADPH 2 wiederherzustellen:

2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.

Somit findet in der Lichtphase eine Photolyse von Wasser statt, die von drei wichtigen Prozessen begleitet wird: 1) ATP-Synthese; 2) die Bildung von NADPH 2; 3) die Bildung von Sauerstoff. Sauerstoff diffundiert in die Atmosphäre, ATP und NADPH 2 werden in das Stroma des Chloroplasten transportiert und nehmen an den Prozessen der Dunkelphase teil.

1 - Chloroplastenstroma; 2 - Grana-Thylakoid.

Dunkle Phase

Diese Phase findet im Stroma des Chloroplasten statt. Seine Reaktionen erfordern keine Lichtenergie und finden daher nicht nur im Licht, sondern auch im Dunkeln statt. Dunkelphasenreaktionen sind eine Kette aufeinanderfolgender Umwandlungen von Kohlendioxid (aus der Luft), die zur Bildung von Glukose und anderen organischen Substanzen führen.

Die erste Reaktion in dieser Kette ist die Fixierung von Kohlendioxid; Der Kohlendioxidakzeptor ist ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen. Ribulosebiphosphat(RiBF); Enzym katalysiert die Reaktion Ribulosebiphosphat-Carboxylase(RiBP-Carboxylase). Durch die Carboxylierung von Ribulosebisphosphat entsteht eine instabile Verbindung mit sechs Kohlenstoffatomen, die sofort in zwei Moleküle zerfällt Phosphoglycerinsäure(FGK). Anschließend findet ein Reaktionszyklus statt, bei dem Phosphoglycerinsäure über eine Reihe von Zwischenprodukten in Glucose umgewandelt wird. Diese Reaktionen nutzen die Energie von ATP und NADPH 2, die in der leichten Phase gebildet werden; Der Zyklus dieser Reaktionen wird „Calvin-Zyklus“ genannt:

6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.

Neben Glukose entstehen bei der Photosynthese weitere Monomere komplexer organischer Verbindungen – Aminosäuren, Glycerin und Fettsäuren, Nukleotide. Derzeit gibt es zwei Arten der Photosynthese: C 3 - und C 4 -Photosynthese.

C 3-Photosynthese

Dies ist eine Art der Photosynthese, bei der das erste Produkt Verbindungen mit drei Kohlenstoffatomen (C3) sind. Die C3-Photosynthese wurde vor der C4-Photosynthese entdeckt (M. Calvin). Es ist die C 3 -Photosynthese, die oben unter der Überschrift „Dunkelphase“ beschrieben wird. Charakteristische Merkmale der C 3 -Photosynthese: 1) der Kohlendioxidakzeptor ist RiBP, 2) die Carboxylierungsreaktion von RiBP wird durch RiBP-Carboxylase katalysiert, 3) durch die Carboxylierung von RiBP entsteht eine Verbindung mit sechs Kohlenstoffatomen, die in zerfällt zwei PGAs. FGK wird wiederhergestellt Triosephosphate(TF). Ein Teil des TF wird für die Regeneration von RiBP verwendet, ein Teil wird in Glukose umgewandelt.

1 - Chloroplast; 2 - Peroxisom; 3 - Mitochondrien.

Hierbei handelt es sich um eine lichtabhängige Aufnahme von Sauerstoff und Freisetzung von Kohlendioxid. Zu Beginn des letzten Jahrhunderts wurde festgestellt, dass Sauerstoff die Photosynthese unterdrückt. Wie sich herausstellte, kann das Substrat der RiBP-Carboxylase nicht nur Kohlendioxid, sondern auch Sauerstoff sein:

O 2 + RiBP → Phosphoglycolat (2C) + PGA (3C).

Das Enzym heißt RiBP-Oxygenase. Sauerstoff ist ein kompetitiver Inhibitor der Kohlendioxidfixierung. Die Phosphatgruppe wird abgespalten und das Phosphoglykolat wird zu Glykolat, das die Pflanze verwerten muss. Es gelangt in Peroxisomen und wird dort zu Glycin oxidiert. Glycin gelangt in die Mitochondrien, wo es zu Serin oxidiert wird, wobei bereits fixierter Kohlenstoff in Form von CO 2 verloren geht. Dadurch werden zwei Glykolatmoleküle (2C + 2C) in ein PGA (3C) und CO 2 umgewandelt. Photorespiration führt zu einer Verringerung des Ertrags von C3-Pflanzen um 30-40 % ( Mit 3 Pflanzen- Pflanzen, die durch C 3 -Photosynthese gekennzeichnet sind).

Bei der C 4 -Photosynthese handelt es sich um eine Photosynthese, bei der das erste Produkt aus Verbindungen mit vier Kohlenstoffatomen (C 4) besteht. Im Jahr 1965 wurde festgestellt, dass in einigen Pflanzen (Zuckerrohr, Mais, Sorghum, Hirse) die ersten Produkte der Photosynthese Säuren mit vier Kohlenstoffatomen sind. Diese Pflanzen wurden genannt Mit 4 Pflanzen. 1966 zeigten die australischen Wissenschaftler Hatch und Slack, dass C4-Pflanzen praktisch keine Photorespiration haben und Kohlendioxid viel effizienter absorbieren. Der Weg der Kohlenstoffumwandlungen in C 4 -Pflanzen wurde benannt von Hatch-Slack.

C 4 -Pflanzen zeichnen sich durch eine besondere anatomische Struktur des Blattes aus. Alle Leitbündel sind von einer doppelten Zellschicht umgeben: Die äußere Schicht besteht aus Mesophyllzellen, die innere Schicht aus Hüllzellen. Kohlendioxid ist im Zytoplasma der Mesophyllzellen fixiert, der Akzeptor Phosphoenolpyruvat(PEP, 3C), durch Carboxylierung von PEP entsteht Oxalacetat (4C). Der Prozess wird katalysiert PEP-Carboxylase. Im Gegensatz zu RiBP-Carboxylase hat PEP-Carboxylase eine größere Affinität zu CO 2 und interagiert, was am wichtigsten ist, nicht mit O 2 . Mesophyll-Chloroplasten haben viele Körner, in denen aktiv Lichtphasenreaktionen ablaufen. In den Chloroplasten der Hüllzellen treten Dunkelphasenreaktionen auf.

Oxalacetat (4C) wird in Malat umgewandelt, das durch Plasmodesmen in die Hüllzellen transportiert wird. Hier wird es zu Pyruvat, CO 2 und NADPH 2 decarboxyliert und dehydriert.

Pyruvat kehrt zu den Mesophyllzellen zurück und wird mithilfe der Energie von ATP in PEP regeneriert. CO 2 wird erneut durch RiBP-Carboxylase fixiert, um PGA zu bilden. Die PEP-Regeneration erfordert ATP-Energie und benötigt daher fast doppelt so viel Energie wie die C3-Photosynthese.

Die Bedeutung der Photosynthese

Dank der Photosynthese werden jedes Jahr Milliarden Tonnen Kohlendioxid aus der Atmosphäre absorbiert und Milliarden Tonnen Sauerstoff freigesetzt; Die Photosynthese ist die Hauptquelle für die Bildung organischer Substanzen. Sauerstoff bildet die Ozonschicht, die lebende Organismen vor kurzwelliger ultravioletter Strahlung schützt.

Während der Photosynthese verbraucht ein grünes Blatt nur etwa 1 % der auf es einfallenden Sonnenenergie; die Produktivität beträgt etwa 1 g organische Substanz pro 1 m2 Oberfläche und Stunde.

Chemosynthese

Man bezeichnet die Synthese organischer Verbindungen aus Kohlendioxid und Wasser, die nicht aufgrund der Energie des Lichts, sondern aufgrund der Oxidationsenergie anorganischer Substanzen erfolgt Chemosynthese. Zu den chemosynthetischen Organismen gehören einige Arten von Bakterien.

Nitrifizierende Bakterien Ammoniak wird zu salpetriger und dann zu Salpetersäure oxidiert (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Eisenbakterien Eisenoxid in Eisenoxid umwandeln (Fe 2+ → Fe 3+).

Schwefelbakterien oxidieren Schwefelwasserstoff zu Schwefel oder Schwefelsäure (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

Durch Oxidationsreaktionen anorganischer Stoffe wird Energie freigesetzt, die von Bakterien in Form energiereicher ATP-Bindungen gespeichert wird. ATP wird für die Synthese organischer Substanzen verwendet, die ähnlich wie die Reaktionen der Dunkelphase der Photosynthese abläuft.

Chemosynthetische Bakterien tragen zur Anreicherung von Mineralien im Boden bei, verbessern die Bodenfruchtbarkeit, fördern die Abwasserbehandlung usw.

Gehe zu Vorträge Nr. 11„Das Konzept des Stoffwechsels. Biosynthese von Proteinen“

Gehe zu Vorträge Nr. 13„Methoden der Teilung eukaryontischer Zellen: Mitose, Meiose, Amitose“

Wie lässt sich ein so komplexer Prozess wie die Photosynthese kurz und anschaulich erklären? Pflanzen sind die einzigen Lebewesen, die ihre Nahrung selbst produzieren können. Wie machen Sie das? Für das Wachstum erhalten sie alle notwendigen Stoffe aus der Umwelt: Kohlendioxid aus der Luft, dem Wasser und aus dem Boden. Außerdem benötigen sie Energie, die sie aus den Sonnenstrahlen gewinnen. Diese Energie löst bestimmte chemische Reaktionen aus, bei denen Kohlendioxid und Wasser in Glukose (Nahrung) umgewandelt werden und Photosynthese betreiben. Das Wesentliche des Prozesses lässt sich auch schulpflichtigen Kindern kurz und anschaulich erklären.

„Zusammen mit dem Licht“

Das Wort „Photosynthese“ kommt von zwei griechischen Wörtern – „Foto“ und „Synthese“, deren Kombination „zusammen mit Licht“ bedeutet. Die Sonnenenergie wird in chemische Energie umgewandelt. Chemische Gleichung der Photosynthese:

6CO 2 + 12H 2 O + Licht = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.

Das bedeutet, dass 6 Moleküle Kohlendioxid und zwölf Moleküle Wasser (zusammen mit Sonnenlicht) zur Herstellung von Glukose verwendet werden, was zu sechs Molekülen Sauerstoff und sechs Molekülen Wasser führt. Stellt man dies als verbale Gleichung dar, erhält man Folgendes:

Wasser + Sonne => Glukose + Sauerstoff + Wasser.

Die Sonne ist eine sehr starke Energiequelle. Menschen versuchen immer, damit Strom zu erzeugen, Häuser zu isolieren, Wasser zu erhitzen usw. Pflanzen haben vor Millionen von Jahren „herausgefunden“, wie sie Sonnenenergie nutzen können, weil sie für ihr Überleben notwendig war. Die Photosynthese lässt sich kurz und anschaulich so erklären: Pflanzen nutzen die Lichtenergie der Sonne und wandeln sie in chemische Energie um. Dabei entsteht Zucker (Glukose), dessen Überschuss als Stärke in den Blättern, Wurzeln und Stängeln gespeichert wird und Samen der Pflanze. Die Energie der Sonne wird auf Pflanzen sowie auf die Tiere übertragen, die diese Pflanzen fressen. Wenn eine Pflanze Nährstoffe für ihr Wachstum und andere Lebensprozesse benötigt, sind diese Reserven sehr nützlich.

Wie nehmen Pflanzen Energie aus der Sonne auf?

Wenn man kurz und deutlich über die Photosynthese spricht, lohnt es sich, sich mit der Frage zu befassen, wie es Pflanzen gelingt, Sonnenenergie zu absorbieren. Dies liegt an der besonderen Struktur der Blätter, zu denen auch grüne Zellen gehören – Chloroplasten, die eine spezielle Substanz namens Chlorophyll enthalten. Dies verleiht den Blättern ihre grüne Farbe und ist für die Aufnahme der Energie des Sonnenlichts verantwortlich.

Warum sind die meisten Blätter breit und flach?

Die Photosynthese findet in den Blättern von Pflanzen statt. Das Erstaunliche ist, dass Pflanzen sehr gut daran angepasst sind, Sonnenlicht einzufangen und Kohlendioxid zu absorbieren. Dank der breiten Oberfläche wird viel mehr Licht eingefangen. Aus diesem Grund sind auch Sonnenkollektoren, die manchmal auf Hausdächern installiert werden, breit und flach. Je größer die Oberfläche, desto besser ist die Absorption.

Was ist für Pflanzen sonst noch wichtig?

Wie Menschen benötigen auch Pflanzen nützliche Nährstoffe, um gesund zu bleiben, zu wachsen und ihre lebenswichtigen Funktionen gut zu erfüllen. Über ihre Wurzeln beziehen sie im Wasser gelöste Mineralien aus dem Boden. Fehlen dem Boden mineralische Nährstoffe, entwickelt sich die Pflanze nicht normal. Landwirte testen häufig den Boden, um sicherzustellen, dass er genügend Nährstoffe für das Wachstum der Pflanzen enthält. IN ansonsten greifen auf Düngemittel zurück, die essentielle Mineralien für die Ernährung und das Wachstum der Pflanzen enthalten.

Warum ist die Photosynthese so wichtig?

Um Kindern die Photosynthese kurz und anschaulich zu erklären, ist es erwähnenswert, dass es sich bei diesem Prozess um eine der wichtigsten chemischen Reaktionen der Welt handelt. Welche Gründe gibt es für eine so laute Aussage? Erstens ernährt die Photosynthese Pflanzen, die wiederum alle anderen Lebewesen auf dem Planeten ernähren, einschließlich Tiere und Menschen. Zweitens wird durch die Photosynthese der für die Atmung notwendige Sauerstoff in die Atmosphäre freigesetzt. Alle Lebewesen atmen Sauerstoff ein und Kohlendioxid aus. Glücklicherweise bewirken Pflanzen das Gegenteil und sind daher für Mensch und Tier sehr wichtig, da sie ihnen die Fähigkeit zum Atmen verleihen.

Erstaunlicher Prozess

Es stellt sich heraus, dass Pflanzen auch atmen können, aber im Gegensatz zu Menschen und Tieren nehmen sie Kohlendioxid aus der Luft auf, nicht Sauerstoff. Auch Pflanzen trinken. Deshalb muss man sie gießen, sonst sterben sie. Mit Hilfe des Wurzelsystems werden Wasser und Nährstoffe in alle Teile des Pflanzenkörpers transportiert und Kohlendioxid wird durch kleine Löcher in den Blättern aufgenommen. Der Auslöser für den Beginn einer chemischen Reaktion ist Sonnenlicht. Alle gewonnenen Stoffwechselprodukte werden von Pflanzen zur Ernährung genutzt, Sauerstoff wird an die Atmosphäre abgegeben. So können Sie kurz und anschaulich erklären, wie der Prozess der Photosynthese abläuft.

Photosynthese: helle und dunkle Phasen der Photosynthese

Der betrachtete Prozess besteht aus zwei Hauptteilen. Es gibt zwei Phasen der Photosynthese (Beschreibung und Tabelle unten). Die erste wird als Lichtphase bezeichnet. Es tritt nur in Gegenwart von Licht in Thylakoidmembranen unter Beteiligung von Chlorophyll, Elektronentransportproteinen und dem Enzym ATP-Synthetase auf. Was verbirgt sich sonst noch hinter der Photosynthese? Leuchten und ersetzen sich gegenseitig im Verlauf von Tag und Nacht (Calvin-Zyklen). Während der Dunkelphase erfolgt die Produktion derselben Glukose, der Nahrung für Pflanzen. Dieser Vorgang wird auch als lichtunabhängige Reaktion bezeichnet.

Abschluss

Aus all dem lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:

• Photosynthese ist ein Prozess, der Energie aus der Sonne erzeugt.
• Lichtenergie der Sonne wird durch Chlorophyll in chemische Energie umgewandelt.
• Chlorophyll verleiht Pflanzen ihre grüne Farbe.
• Die Photosynthese findet in den Chloroplasten pflanzlicher Blattzellen statt.
• Für die Photosynthese sind Kohlendioxid und Wasser notwendig.
• Kohlendioxid gelangt durch winzige Löcher und Stomata in die Pflanze und Sauerstoff tritt durch sie aus.
• Über die Wurzeln wird Wasser in die Pflanze aufgenommen.
• Ohne Photosynthese gäbe es keine Nahrung auf der Welt.

- Synthese organischer Stoffe aus Kohlendioxid und Wasser unter obligatorischer Nutzung von Lichtenergie:

6CO 2 + 6H 2 O + Q Licht → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

Bei höheren Pflanzen ist das Organ der Photosynthese das Blatt und die Organellen der Photosynthese sind die Chloroplasten (Aufbau der Chloroplasten – Vorlesung Nr. 7). Die Membranen der Chloroplasten-Thylakoide enthalten photosynthetische Pigmente: Chlorophylle und Carotinoide. Es gibt verschiedene Arten von Chlorophyll ( A B C D), das wichtigste ist Chlorophyll A. Im Chlorophyllmolekül kann man einen Porphyrin-„Kopf“ mit einem Magnesiumatom im Zentrum und einen Phytol-„Schwanz“ unterscheiden. Der Porphyrin-„Kopf“ ist eine flache Struktur, hydrophil und liegt daher auf der Oberfläche der Membran, die der wässrigen Umgebung des Stromas zugewandt ist. Der Phytol-„Schwanz“ ist hydrophob und hält dadurch das Chlorophyllmolekül in der Membran zurück.

Chlorophylle absorbieren rotes und blauviolettes Licht, reflektieren grünes Licht und verleihen Pflanzen so ihre charakteristische grüne Farbe. Chlorophyllmoleküle in Thylakoidmembranen sind in organisiert Fotosysteme. Pflanzen und Blaualgen verfügen über das Photosystem 1 und das Photosystem 2, während photosynthetische Bakterien über das Photosystem 1 verfügen. Nur Photosystem 2 kann Wasser zersetzen, um Sauerstoff freizusetzen und dem Wasserstoff des Wassers Elektronen zu entziehen.

Die Photosynthese ist ein komplexer, mehrstufiger Prozess. Photosynthesereaktionen werden in zwei Gruppen unterteilt: Reaktionen Lichtphase und Reaktionen dunkle Phase.

Lichtphase

Diese Phase findet nur in Gegenwart von Licht in Thylakoidmembranen unter Beteiligung von Chlorophyll, Elektronentransportproteinen und dem Enzym ATP-Synthetase statt. Unter dem Einfluss eines Lichtquants werden Chlorophyllelektronen angeregt, verlassen das Molekül und dringen in die Außenseite der Thylakoidmembran ein, die schließlich negativ geladen wird. Oxidierte Chlorophyllmoleküle werden reduziert und entziehen dem im Intrathylakoidraum befindlichen Wasser Elektronen. Dies führt zum Abbau bzw. zur Photolyse von Wasser:

H 2 O + Q Licht → H + + OH - .

Hydroxylionen geben ihre Elektronen ab und werden zu reaktiven Radikalen.OH:

OH - → .OH + e - .

OH-Radikale verbinden sich zu Wasser und freiem Sauerstoff:

4NEIN. → 2H 2 O + O 2.

Dabei wird Sauerstoff an die äußere Umgebung abgegeben und Protonen sammeln sich im Thylakoid im „Protonenreservoir“. Dadurch wird die Thylakoidmembran einerseits durch H+ positiv und andererseits durch Elektronen negativ geladen. Wenn die Potentialdifferenz zwischen der Außen- und Innenseite der Thylakoidmembran 200 mV erreicht, werden Protonen durch die ATP-Synthetase-Kanäle gedrückt und ADP wird zu ATP phosphoryliert; Atomarer Wasserstoff wird verwendet, um den spezifischen Träger NADP + (Nicotinamidadenindinukleotidphosphat) zu NADPH 2 wiederherzustellen:

2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.

Somit findet in der Lichtphase eine Photolyse von Wasser statt, die von drei wichtigen Prozessen begleitet wird: 1) ATP-Synthese; 2) die Bildung von NADPH 2; 3) die Bildung von Sauerstoff. Sauerstoff diffundiert in die Atmosphäre, ATP und NADPH 2 werden in das Stroma des Chloroplasten transportiert und nehmen an den Prozessen der Dunkelphase teil.

1 - Chloroplastenstroma; 2 - Grana-Thylakoid.

Dunkle Phase

Diese Phase findet im Stroma des Chloroplasten statt. Seine Reaktionen erfordern keine Lichtenergie und finden daher nicht nur im Licht, sondern auch im Dunkeln statt. Dunkelphasenreaktionen sind eine Kette aufeinanderfolgender Umwandlungen von Kohlendioxid (aus der Luft), die zur Bildung von Glukose und anderen organischen Substanzen führen.

Die erste Reaktion in dieser Kette ist die Fixierung von Kohlendioxid; Der Kohlendioxidakzeptor ist ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen. Ribulosebiphosphat(RiBF); Enzym katalysiert die Reaktion Ribulosebiphosphat-Carboxylase(RiBP-Carboxylase). Durch die Carboxylierung von Ribulosebisphosphat entsteht eine instabile Verbindung mit sechs Kohlenstoffatomen, die sofort in zwei Moleküle zerfällt Phosphoglycerinsäure(FGK). Anschließend findet ein Reaktionszyklus statt, bei dem Phosphoglycerinsäure über eine Reihe von Zwischenprodukten in Glucose umgewandelt wird. Diese Reaktionen nutzen die Energie von ATP und NADPH 2, die in der leichten Phase gebildet werden; Der Zyklus dieser Reaktionen wird „Calvin-Zyklus“ genannt:

6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.

Neben Glukose entstehen bei der Photosynthese weitere Monomere komplexer organischer Verbindungen – Aminosäuren, Glycerin und Fettsäuren, Nukleotide. Derzeit gibt es zwei Arten der Photosynthese: C 3 - und C 4 -Photosynthese.

C 3-Photosynthese

Dies ist eine Art der Photosynthese, bei der das erste Produkt Verbindungen mit drei Kohlenstoffatomen (C3) sind. Die C3-Photosynthese wurde vor der C4-Photosynthese entdeckt (M. Calvin). Es ist die C 3 -Photosynthese, die oben unter der Überschrift „Dunkelphase“ beschrieben wird. Charakteristische Merkmale der C 3 -Photosynthese: 1) der Kohlendioxidakzeptor ist RiBP, 2) die Carboxylierungsreaktion von RiBP wird durch RiBP-Carboxylase katalysiert, 3) durch die Carboxylierung von RiBP entsteht eine Verbindung mit sechs Kohlenstoffatomen, die in zerfällt zwei PGAs. FGK wird wiederhergestellt Triosephosphate(TF). Ein Teil des TF wird für die Regeneration von RiBP verwendet, ein Teil wird in Glukose umgewandelt.

1 - Chloroplast; 2 - Peroxisom; 3 - Mitochondrien.

Hierbei handelt es sich um eine lichtabhängige Aufnahme von Sauerstoff und Freisetzung von Kohlendioxid. Zu Beginn des letzten Jahrhunderts wurde festgestellt, dass Sauerstoff die Photosynthese unterdrückt. Wie sich herausstellte, kann das Substrat der RiBP-Carboxylase nicht nur Kohlendioxid, sondern auch Sauerstoff sein:

O 2 + RiBP → Phosphoglycolat (2C) + PGA (3C).

Das Enzym heißt RiBP-Oxygenase. Sauerstoff ist ein kompetitiver Inhibitor der Kohlendioxidfixierung. Die Phosphatgruppe wird abgespalten und das Phosphoglykolat wird zu Glykolat, das die Pflanze verwerten muss. Es gelangt in Peroxisomen und wird dort zu Glycin oxidiert. Glycin gelangt in die Mitochondrien, wo es zu Serin oxidiert wird, wobei bereits fixierter Kohlenstoff in Form von CO 2 verloren geht. Dadurch werden zwei Glykolatmoleküle (2C + 2C) in ein PGA (3C) und CO 2 umgewandelt. Photorespiration führt zu einer Verringerung des Ertrags von C3-Pflanzen um 30-40 % ( Mit 3 Pflanzen- Pflanzen, die durch C 3 -Photosynthese gekennzeichnet sind).

Bei der C 4 -Photosynthese handelt es sich um eine Photosynthese, bei der das erste Produkt aus Verbindungen mit vier Kohlenstoffatomen (C 4) besteht. Im Jahr 1965 wurde festgestellt, dass in einigen Pflanzen (Zuckerrohr, Mais, Sorghum, Hirse) die ersten Produkte der Photosynthese Säuren mit vier Kohlenstoffatomen sind. Diese Pflanzen wurden genannt Mit 4 Pflanzen. 1966 zeigten die australischen Wissenschaftler Hatch und Slack, dass C4-Pflanzen praktisch keine Photorespiration haben und Kohlendioxid viel effizienter absorbieren. Der Weg der Kohlenstoffumwandlungen in C 4 -Pflanzen wurde benannt von Hatch-Slack.

C 4 -Pflanzen zeichnen sich durch eine besondere anatomische Struktur des Blattes aus. Alle Leitbündel sind von einer doppelten Zellschicht umgeben: Die äußere Schicht besteht aus Mesophyllzellen, die innere Schicht aus Hüllzellen. Kohlendioxid ist im Zytoplasma der Mesophyllzellen fixiert, der Akzeptor Phosphoenolpyruvat(PEP, 3C), durch Carboxylierung von PEP entsteht Oxalacetat (4C). Der Prozess wird katalysiert PEP-Carboxylase. Im Gegensatz zu RiBP-Carboxylase hat PEP-Carboxylase eine größere Affinität zu CO 2 und interagiert, was am wichtigsten ist, nicht mit O 2 . Mesophyll-Chloroplasten haben viele Körner, in denen aktiv Lichtphasenreaktionen ablaufen. In den Chloroplasten der Hüllzellen treten Dunkelphasenreaktionen auf.

Oxalacetat (4C) wird in Malat umgewandelt, das durch Plasmodesmen in die Hüllzellen transportiert wird. Hier wird es zu Pyruvat, CO 2 und NADPH 2 decarboxyliert und dehydriert.

Pyruvat kehrt zu den Mesophyllzellen zurück und wird mithilfe der Energie von ATP in PEP regeneriert. CO 2 wird erneut durch RiBP-Carboxylase fixiert, um PGA zu bilden. Die PEP-Regeneration erfordert ATP-Energie und benötigt daher fast doppelt so viel Energie wie die C3-Photosynthese.

Die Bedeutung der Photosynthese

Dank der Photosynthese werden jedes Jahr Milliarden Tonnen Kohlendioxid aus der Atmosphäre absorbiert und Milliarden Tonnen Sauerstoff freigesetzt; Die Photosynthese ist die Hauptquelle für die Bildung organischer Substanzen. Sauerstoff bildet die Ozonschicht, die lebende Organismen vor kurzwelliger ultravioletter Strahlung schützt.

Während der Photosynthese verbraucht ein grünes Blatt nur etwa 1 % der auf es einfallenden Sonnenenergie; die Produktivität beträgt etwa 1 g organische Substanz pro 1 m2 Oberfläche und Stunde.

Chemosynthese

Man bezeichnet die Synthese organischer Verbindungen aus Kohlendioxid und Wasser, die nicht aufgrund der Energie des Lichts, sondern aufgrund der Oxidationsenergie anorganischer Substanzen erfolgt Chemosynthese. Zu den chemosynthetischen Organismen gehören einige Arten von Bakterien.

Nitrifizierende Bakterien Ammoniak wird zu salpetriger und dann zu Salpetersäure oxidiert (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Eisenbakterien Eisenoxid in Eisenoxid umwandeln (Fe 2+ → Fe 3+).

Schwefelbakterien oxidieren Schwefelwasserstoff zu Schwefel oder Schwefelsäure (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

Durch Oxidationsreaktionen anorganischer Stoffe wird Energie freigesetzt, die von Bakterien in Form energiereicher ATP-Bindungen gespeichert wird. ATP wird für die Synthese organischer Substanzen verwendet, die ähnlich wie die Reaktionen der Dunkelphase der Photosynthese abläuft.

Chemosynthetische Bakterien tragen zur Anreicherung von Mineralien im Boden bei, verbessern die Bodenfruchtbarkeit, fördern die Abwasserbehandlung usw.

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