9 класс История изучения процесса фотосинтеза В 1600 году голландский естествоиспытатель Ян Ван Гельмонт поставил первый эксперимент по изучению питания растений. Однако сделал вывод, что растение получает все необходимые вещества только из воды. История изучения процесса фотосинтеза 1771 г. – английский химик Джозеф Пристли установил, что растения «исправляют» воздух, «испорченный» горящей свечой. История изучения процесса фотосинтеза 1782 г. – Жан Сенебье показал, что растения, выделяя кислород, поглощают углекислый газ; предположил, что в вещество растения превращается углерод, входящий в состав углекислого газа. История изучения процесса фотосинтеза 1779 г.- Австрийский врач Ян Ингенхауз обнаружил, что растения выделяют кислород только на свету. Он погружал ветку элодеи в воду и наблюдал на свету образования на листьях пузырьков кислорода. История изучения процесса фотосинтеза В 1875 году русский учёный Климент Аркадьевич Тимирязев доказал, что хлорофилл непосредственно участвует в процессе фотосинтеза и что именно в хлоропласте энергия Солнца переходит в химическую энергию углеводов. Климента Аркадиевича Тимирязева «Когда-то, где-то на Землю упал луч солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зелёную былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез… В той или другой форме он вошёл в состав хлеба, который послужил нам пищей. Он преобразился в наши мускулы, в наши нервы. Этот луч солнца согревает нас. Он приводит нас в движение. Быть может, в эту минуту он играет в нашем сознании». • В высшей степени гениально значение процесса фотосинтеза подчеркнул русский ученый К.А. Тимирязев: "Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического" Фотосинтез (греч. φῶς - свет и σύνθεσις - синтез) сложный химический процесс преобразования энергии квантов света в энергию химических связей. В результате фотосинтеза происходит синтез органических веществ из неорганических. Строение хлоропласта 1 3 5 6 2 4 7 8 1. Наружная мембрана 2. Внутренняя мембрана 3. Строма 4. ДНК 9 5. Грана 6. Тилакоид 7. Рибосомы 8. Жировая капля 9. Крахмал ТИЛАКОИДЫ - выпячивания внутренней мембраны пластид, имеющие вид плоских мешочков СТРОМА – внутренняя среда хлоропласта. Фотосинтез • Этот процесс уникален и происходит только в растительных клетках, а также у некоторых бактерий. Фотосинтез осуществляется при участии хлорофилла (греч. χλωρός - зелёный и φύλλον - лист) зеленого пигмента, окрашивающего органы растений в зеленый цвет. Хлорофилл Это сложное органическое вещество, в центре которого находится атом магния. Хлорофилл находится в мембранах тилакоидов гран, из-за чего хлоропласты приобретают зеленый цвет. • Сравнение строения хлорофилла и гемоглобина. Обратите внимание, что в центре молекулы хлорофилла находится ион Mg. • По химическому строению хлорофилл напоминает белок крови — гемоглобин. Он имеет такое же кольцо, только у гемоглобина в центре этого кольца находится атом железа, а у хлорофилла — магний. Хлорофилл поглощает лучи в красной и синей областях спектра и отражает зеленые лучи, которые воспринимаются нашим глазом. Фотосинтез Световая фаза Этап фотосинтеза, в течение которого за счет энергии света образуются богатые энергией соединения АТФ и молекулы — носители энергии. Происходит в тилакоидах Зависит от света Темновая фаза Этап фотосинтеза, в течение которого происходит поглощение углекислого газа и синтез углеводов. Происходит в строме хлоропласта Не зависит от света 1. Световая фаза – протекает в тилакоидах хлоропласта под влиянием энергии света Фотосинтез Световая фаза Темновая АТФ фаза 2. Темновая фаза – протекает в строме хлоропласта, для ее реакций не нужна энергия света Световая фаза: 1. Молекула хлорофилла поглощает квант света и переходит в возбужденное состояние. При этом электроны выбиваются из молекулы хлорофилла 2. Богатые энергией электроны, поступает в особую цепь переносчиков и передаются на наружную поверхность мембраны тилакоидов, где накапливаются и мембрана заряжается отрицательно внутри тилакоида Световая фаза: снаружи тилакоида Световая фаза: 3. Тем временем внутри тилакоида происходит фотолиз воды (разложение под действием света): H2O → H+ + OH4. Свободные радикалы OH собираются вместе и образуют молекулу воды и свободный кислород (это побочный продукт, который в дальнейшем удаляется в ходе газообмена). 4OH → 2H2O + O2↑ Световая фаза: 3. Образовавшиеся при фотолизе воды протоны (H+) скапливаются с внутренней стороны мембраны тилакоидов, а электроны - с внешней. В результате по обе стороны мембраны накапливаются противоположные заряды. H2O → H+ + OH+) 4. При достижении критической разницы, часть протонов (H H2O → H+ + OHпроталкивается на внешнюю сторону мембраны через канал АТФсинтетазы. В результате этого выделяется энергия, которая может быть использована для фосфорилирования молекул АДФ: АТФ-синтаза - это белок, который катализирует образование молекулы накопления энергии аденозинтрифосфата (АТФ) с использованием аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата Световая фаза: 5. Катионы водорода на наружной стороне мембраны присоединяют электроны молекулы хлорофилла, образуя атомарный водород, который с помощью переносчика НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) поступает в строму хлоропласта на синтез глюкозы Н+ + е Н0 2Н + НАДФ = НАДФ·Н2 • Восстановленный переносчик НАДФ отвечает за перенос ионов водорода через мембрану. • Следовательно, НАДФ и АТФ являются восстановленными переносчиками и энергетическими соединениями, которые могут хранить световую энергию в легкой фазе фотосинтеза. Световая фаза: Таким образом, энергия солнечного света порождает три процесса: 1) Образование кислорода вследствие фотолиза воды 2) Синтез АТФ 3) Образование атомов водорода в форме НАДФ·Н 2 • Кислород удаляется из клетки как побочный продукт фотосинтеза, он совершенно не нужен растению. АТФ и НАДФ∗H в дальнейшем оказываются более полезны: они транспортируются в строму хлоропласта и принимают участие в светонезависимой фазе фотосинтеза. Темновая фаза: Темновая фаза: 1.Протекает в строме хлоропласта как на свету, так и в темноте и представляет собой ряд последовательных преобразований CO2 2. При участии АТФ и НАДФ∗H происходит восстановление CO2 до глюкозы C6H12O6. В светонезависимой фазе происходит цикл Кальвина, в ходе которого и образуется глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы требуется 6 молекул CO2, 12 НАДФ∗H и 18 АТФ. Темновая фаза Строма хлоропласт НАДФ.Н тилакоид цикл Кальвина АТФ глюкоза С6Н12О6 крахмал СО2 6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2↑ • Таким образом, в результате темновой (светонезависимой) фазы фотосинтеза образуется глюкоза, которая в дальнейшем может быть преобразована в крахмал, служащий для запасания питательных веществ у растений. Заполните таблицу «Сравнение световой и темновой фаз фотосинтеза» Критерии для сравнения Локализация Основные процессы Исходные вещества Образующиеся продукты Источник энергии Световая фаза Темновая фаза Критерии для сравнения Световая фаза Темновая фаза Локализация Мембрана тилакоидов Строма хлоропласта Основные процессы Фотолиз воды Восстановление НАДФ+ до НАДФ* Н2 Синтез АТФ Окисление НАДФ* Н2 Распад АТФ до АДФ и Ф. Фиксация СО2 Цикл Кальвина) Исходные вещества Вода, АДФ, Ф, НАДФ+ АТФ, НАДФ* Н2 , рибулёзомонофосфат Образующиеся продукты НАДФ* Н2 , АТФ Глюкоза, аминокислоты и т.п. Источник энергии Световая энергия Энергия АТФ Световая фаза Темновая фаза Где происходит? В гранах хлоропласта На свету В строме хлоропласта На свету и в темноте Основные процессы Возбуждение хлорофилла, фотолиз воды, восстановление НАДФ, синтез АТФ Синтез глюкозы из СО2 путем ряда последовательных сложных ферментативных реакций Исходные вещества Н2О НАДФ АДФ СО2 НАДФ*Н АТФ Образующиеся вещества НАДФ*Н АТФ О2 С6Н12О6 Источник Е Свет АТФ Вещества, катализирующие реакции фотосинтеза Ферменты Ферменты Значение фотосинтеза. Растения: •Синтезируют органические вещества, являющиеся пищей для всего живого на планете •Преобразуют энергию света в энергию химических связей, создают органическую массу •Растения поддерживают определенный процент содержания O2 в атмосфере, очищают ее от избытка CO2 •Способствуют образованию защитного озонового экрана, поглощающего губительное для жизни ультрафиолетовое излучение Значение фотосинтеза • Весь имеющийся в атмосфере кислород (при условии, что его образование прекратилось) может быть израсходован, приблизительно за 100 лет. • Годовая потребность одного человека в кислороде обеспечивается фотосинтезом 10-12 деревьев среднего возраста. Один реактивный лайнер за время трансконтинентального полёта использует до 50 млн. л кислорода – суточную потребность100 000 человек Хемосинтез Это способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ служат реакции окисления неорганических соединений. Сергей Николаевич Виноградский в 1887 году впервые открыл процесс хемосинтеза. Типы хемотрофов 1 • Нитрифицирующие бактерии • NH3 → HNO2→HNO3 + энергия 2 • Серобактерии • H2S →S→H2SO4 + энергия 3 • Железобактерии • Fe2+ → Fe 3+ + энергия 4 • Водородобактерии • H2→ H2O + энергия Значение хемосинтеза 1. Хемосинтетики являются непременным звеном природного круговорота важнейших элементов: серы, азота, железа и др. 2. Хемосинтетики важны также в качестве природных потребителей таких ядовитых веществ, как аммиак и сероводород. 3. Огромное значение имеют нитрифицирующие бактерии, которые обогащают почву нитритами и нитратами в основном именно в форме нитратов растения усваивают азот.