Меню

Что поглащают растения в процессе фотосинтеза

Что такое фотосинтез и почему он так важен для нашей планеты

Фотосинтез — один из самых важных биологических процессов на Земле. Благодаря фотосинтезу живые организмы получают кислород, необходимый для дыхания, а сами растения создают полезные органические вещества для своей жизнедеятельности. В этой статье мы поговорим о том, что обозначает фотосинтез, как он происходит и что образуется в процессе фотосинтеза.

Что такое фотосинтез

Фотосинтез — процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза.

Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты, — преимущественно, в листе, на который приходится большая часть процессов фотосинтеза. Такая ткань называется хлоренхима, или мезофилл.

Строение хлоропластов

Чтобы понять, что происходит в растении при фотосинтезе, изучим подробнее хлоропласты. Хлоропласты — это особые пластиды растительных клеток, в которых происходит фотосинтез. Основные элементы структурной организации хлоропластов высших растений представлены на рис.1.

Хлоропласт — это двумембранный органоид. Внешняя мембрана проницаема для большинства органических и неорганических соединений. Она содержит специальные транспортные белки, благодаря которым нужные для работы хлоропласта пептиды и другие вещества попадают в него из цитоплазмы. Внутренняя мембрана обладает избирательной проницаемостью и способна контролировать, какие именно вещества попадут во внутреннее пространство хлоропласта.

Для хлоропластов характерна сложная система внутренних мембран, позволяющая пространственно организовать фотосинтетический аппарат, упорядочить и разделить реакции фотосинтеза, несовместимые между собой, и их продукты. Мембраны образуют тилакоиды, которые, в свою очередь, собираются в «стопки» — граны. Пространство внутри тилакоидов называется внутритилакоидным пространством, или люменом.

Внутреннее пространство хлоропласта между гранами заполняет строма — гидрофильный слабоструктурированный матрикс. В строме содержатся необходимые для реакций синтеза сахаров ферменты, а также рибосомы, кольцевая молекула ДНК, крахмальные зёрна.

Пигменты хлоропластов

Что происходит во время фотосинтеза? На молекулярном уровне фотосинтез обеспечивают особые вещества — пигменты, благодаря которым энергия солнечного света становится доступной для биологических систем. У фотосинтезирующих организмов можно выделить три основные группы пигментов:

  • Хлорофиллы:
  • хлорофилл а — у большинства фотосинтезирующих организмов,
  • хлорофилл b — у высших растений и зелёных водорослей,
  • хлорофилл c — у бурых водорослей,
  • хлорофилл d — у некоторых красных водорослей.
  • Каротиноиды:
  • каротины — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот;
  • ксантофиллы — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот
  • Фикобилины — красные и синие пигменты красных водорослей.

В хлоропластах пигменты ассоциированы с белками с помощью ионных, водородных и других типов связей. Не стоит забывать, что у растений есть множество других пигментов, находящихся не в хлоропластах и не принимающих участие в фотосинтезе — например, антоцианы.

Хлорофилл

Хлорофиллы выполняют функции поглощения, преобразования и транспорта энергии света. Лучше всего хлорофиллы поглощают свет в синей (430—460 нм) и красной (650—700 нм) областях спектра. Зелёную область спектра хлорофиллы эффективно отражают, что придаёт растению зелёный цвет.

Интересно, что строение молекулы хлорофилла схоже со строением гемоглобина, но центром молекулы хлорофилла является ион магния, а не железа.

Основными хлорофиллами высших растений являются хлорофилл a и хлорофилл b, они входят в состав реакционных центров фотосистем и светособирающих комплексов мембран тилакоидов хлоропластов. Светособирающие комплексы улавливают кванты света и передают энергию к фотосистемам I и II. Фотосистемы — это пигмент-белковые комплексы, играющие ключевую роль в световой фазе фотосинтеза.

Каротиноиды

Каротиноиды — это жёлтые, оранжевые или красные пигменты. В зелёных листьях каротиноиды обычно незаметны из-за наличия в листьях хлорофилла. При разрушении хлорофилла осенью именно каротиноиды придают листьям характерную жёлто-оранжевую окраску.

  • Антенная — входят в состав светособирающих комплексов, улавливают энергию света и передают её на хлорофиллы. Каротиноиды играют роль дополнительных светособирающих пигментов в той части солнечного спектра (450—570 нм), где хлорофиллы малоэффективны. Особенно это важно для водных экосистем, в которых волны оптимальной для хлорофиллов длины быстро исчезают с глубиной.
  • Защитная функция (антиоксидантная) — обезвреживание агрессивных кислородных соединений (активных форм кислорода) и избытка хлорофилла в возбуждённом состоянии при слишком ярком освещении.

Каротиноиды химически представляют собой 40-углеродную цепь с двумя углеродными кольцами по краям цепи. В строении ксантофиллов, в отличие от каротинов, присутствуют спиртовые, эфирные или альдегидные группы.

Учите биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду BIO72020вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 7 класса, в котором изучается тема фотосинтеза.

Что происходит в процессе фотосинтеза

Как уже было сказано ранее, в ходе фотосинтеза в хлоропластах под действием солнечного света образуются органические вещества.

Процесс фотосинтеза можно разделить на две фазы:

В ходе световой фазы фотосинтеза образуется энергия в виде АТФ и универсальный донор атома водорода — восстановитель НАДФН (НАДФ·Н2). Эти вещества необходимы для протекания темновой фазы. Также образуется побочный продукт — кислород. Световая фаза может проходить только на мембранах тилакоидов и на свету.

Благодаря сложному биохимическому процессу — циклу Кальвина — в темновую фазу фотосинтеза образуются органические вещества (сахара). Темновая фаза проходит в строме хлоропластов и на свету, и в темноте. Темновые ферментативные процессы протекают медленнее, чем световые, поэтому при очень ярком освещении скорость протекания фотосинтеза будет полностью определяться скоростью темновой фазы. Схемы процессов фотосинтеза представлены на рис.2. Подробное описание процессов смотри далее.

Читайте также:  Процесс фотосинтеза в зеленых клетках цветковых растений происходит

Световая фаза фотосинтеза

Чтобы лучше понять, что происходит во время фотосинтеза, разберём фазы фотосинтеза. Световая фаза фотосинтеза включает в себя фотохимические и фотофизические процессы, и может быть поделена на три этапа:

  1. Фаза поглощения — энергия света улавливается при помощи светособирающих комплексов, переходит в энергию электронного возбуждения пигментов, передаётся в реакционный центр фотосистем I и II.
  2. Фаза реакционных центров — энергия электронного возбуждения пигментов светособирающих комплексов используется для активации реакционных центров фотосистем. В реакционном центре электрон от возбуждённого хлорофилла передаётся другим компонентам электрон-транспортной цепи, пигмент после отдачи электрона переходит в окисленное состояние и становится способным, в свою очередь, отнимать электроны у других веществ. Именно в этом процессе происходит преобразование физической формы энергии в химическую.
  3. Фаза электрон-транспортной цепи — электроны переносятся по цепи переносчиков, образуются АТФ, НАДФН, O2. Необходимо, чтобы каждый переносчик электрон-транспортной цепи поочерёдно восстанавливался и окислялся, обеспечивая таким образом перенос энергии электронов. Любой этап переноса электрона сопровождается высвобождением или поглощением энергии. Часть энергии теряется. На некоторых участках электрон-транспортной цепи перенос электрона сопряжён с переносом протона.

Для того чтобы понять, что происходит во время фазы фотосинтеза, рассмотрим эти процессы подробнее. Кванты света улавливаются светособирающими комплексами фотосистемы I — молекула хлорофилла в составе светособирающего комплекса переходит в возбуждённое состояние, и энергия передаётся в реакционный центр фотосистемы I. Происходит возбуждение молекул хлорофилла фотосистемы I, отщепляется электрон. Пройдя по цепочке внутренних компонентов фотосистемы I и внешних переносчиков, электрон в конце концов попадает к НАДФ+ — образуется восстановитель НАДФН. Получается, что хлорофилл фотосистемы I отдал электрон и приобрёл положительный заряд, и для дальнейшего функционирования необходимо восстановить нейтральность молекулы, получить электрон, чтобы закрыть «дырку». Этот электрон приходит от фотосистемы II.

На светособирающие комплексы фотосистемы II попадают кванты света — происходит возбуждение молекулы хлорофилла фотосистемы II, молекула хлорофилла отдаёт электрон и переходит в окисленное состояние. Нехватку электрона хлорофилл восполняет благодаря фотолизу воды, при этом образуется протоны H+, а также важный побочный продукт фотосинтеза — кислород. По цепи переносчиков электрон от хлорофилла фотосистемы II попадает к хлорофиллу реакционного центра фотосистемы I и восстанавливает его. Теперь этот хлорофилл может снова поглощать энергию кванта света и отдавать электрон в электрон-транспортную цепь.

Протоны, попадающие во внутритилакоидное пространство, используются для синтеза АТФ. С помощью фермента АТФ-синтазы за счёт градиента протонов образуется АТФ из АДФ и фосфата. Под градиентом понимают неравномерное распределение: во внутритилакоидном пространстве H+ больше, в строме — меньше. Поэтому частицы стремятся проникнуть в строму, переходят в неё через АТФ-синтазу, а в процессе пути сквозь белковый комплекс отдают ему часть энергии, которая и используется для синтеза АТФ.

Темновая фаза фотосинтеза

Что образуется при фотосинтезе в темновую фазу? В строме хлоропластов с помощью энергии АТФ и восстановителя НАДФН, полученных в световую фазу, образуются простые сахара, из которых в ходе других процессов образуется крахмал. Ферментативные процессы не нуждаются в наличии света. Важнейший процесс, происходящий в темновую фазу фотосинтеза, — фиксация углекислого газа воздуха. Синтез и превращения сахаров в хлоропластах имеют циклический характер и носят название цикл Кальвина.

В нём можно выделить три этапа:

  1. Фаза карбоксилирования (введение CO2 в цикл).
  2. Фаза восстановления (используются АТФ и НАДФН, полученные в световую фазу).
  3. Фаза регенерации (превращения сахаров).

В строме хлоропластов находится производное простого пятиуглеродного сахара рибозы. С помощью особого фермента (Рубиско) к производному рибозы присоединяется CO2 (реакция карбоксилирования) — образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое быстро распадается на две трехуглеродные молекулы. Дальше, с затратой АТФ и НАДФН, полученных в ходе световых процессов, трехуглеродное соединение модифицируется — образуется восстановленное соединение с атомом фосфора и альдегидной группой в составе. Теперь перед клеткой стоит проблема: необходимо получить шестиуглеродное соединение — глюкозу для синтеза крахмала, а также пятиуглеродное — производное рибозы для того, чтобы эти процессы могли начаться заново. Для решения этих проблем в фазу регенерации из полученных ранее трехуглеродных соединений под действием ферментов образуются четырёх-, пяти-, шести- и семиуглеродные сахара. Из шестиуглеродной молекулы образуется глюкоза, из которой синтезируется крахмал. Из пятиуглеродной молекулы образуется производное рибозы и цикл замыкается. Остальные сахара также используются клеткой в других биохимических процессах.

Отдельно стоит сказать про крайне важный фермент первой фазы цикла Кальвина — рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазу (Рубиско). Это сложный фермент, состоящий из 16 субъединиц, с молекулярной массой в 8 раз больше, чем у гемоглобина. Является одним из важнейших ферментов в природе, поскольку играет центральную роль в основном механизме поступления неорганического углерода (из CO2) в биологический круговорот. Содержание Рубиско в листьях растений очень велико, он считается самым распространённым ферментом на Земле.

Значение фотосинтеза

В процессе фотосинтеза энергия света заключается в энергию химических связей органических веществ. Поэтому фотосинтез служит первичным источником почти всей энергии, используемой живыми организмами в процессе жизнедеятельности. Практически все живые организмы, за исключением хемосинтетиков, так или иначе пользуются теми продуктами, что выделяются при фотосинтезе.

Читайте также:  Выращиваем экзотические растения из семян

За счёт фотосинтеза сформировалась и поддерживается пригодная для дыхания атмосфера с высоким содержанием кислорода.

Фиксация углекислого газа в ходе фотосинтеза служит главным местом входа неорганического углерода в биогеохимический цикл. Также ассимиляция CO2 препятствует перегреву Земли, предотвращая парниковый эффект.

Заключение

Каждый год на нашей планете благодаря фотосинтезу производится около 200 миллиардов тонн кислорода, из которого образуется озоновый слой, защищающий от ультрафиолетовой радиации. Фотосинтез помогает поддерживать состав атмосферы и препятствует увеличению количества углекислого газа. Без растений и кислорода, который они выделяют в процессе фотосинтеза, жизнь на нашей планете была бы просто невозможна.

Источник

Фотосинтез и этапы его прохождения

Растения – уникальные живые существа нашей планеты. Они сами синтезируют в своих клетках необходимые им продукты питания из неорганических веществ. Одним из основных биохимических процессов в клетках растений является фотосинтез.

Он позволяет получать необходимые для своей жизнедеятельности вещества, используя энергию света. В отличие от животных растения являются своеобразными фабриками по производству органики, используя для этого неисчерпаемый источник энергии – солнечный свет. Что такое фотосинтез в биологии? Что происходит в листьях растений при фотосинтезе? Об этом и многом другом вы прочитаете в нашей статье.

Где происходит фотосинтез у растений

Процесс фотосинтеза происходит внутри клеток растений. Растительная клетка имеет сложное строение и состоит из множества частей – органоидов (органелл). Фотосинтез происходит в следующих органоидах (органеллах) клетки:

  • Хлоропластах;
  • Вакуолях;
  • Клеточных мембранах;
  • Клеточном ядре.

Фотосинтез проходит в слое мезофилла. Это основная внутренняя ткань растения, в которой расположены растительные клетки, содержащие хлоропласты. Хлоропласты – мельчайшие пластиды, содержащие специальное вещество – хлорофилл, которое отвечает за фотосинтез растений.

Хлорофилл поглощает световую энергию только в определенном диапазоне. Для успешного прохождения процесса фотосинтеза важны красная и синяя составляющая солнечного спектра. Зеленые волны не поглощаются, а отражаются, поэтому лист растения кажется окрашенным в зеленый цвет.

Помимо хлоропластов в составе клетки имеются другие важные для фотосинтеза части. Вакуоль накапливает воду, которая необходима для прохождения химических реакций фотосинтеза. Клеточная мембрана и стенки клетки обеспечивают необходимый для реакции газообмен.

Все эти вещества должны свободно проникать в ткань листа и проходить сквозь клеточные мембраны. И, наконец, важнейшей частью растительной клетки является ее ядро. В его состав входят генетические марки, которые обеспечивают правильное функционирование всей клеточной структуры.

Что такое фотосинтез и как он проходит

Фотосинтез – химический процесс создания в клетках растений органического вещества из неорганических под воздействием света. Условия необходимые для процесса протекания фотосинтеза — это наличие исходных веществ:

В результате фотосинтеза образуются следующие вещества:

Химическую формулу процесса фотосинтеза можно представить следующим образом:

Углекислый газ в избытке содержится в атмосфере. Он поступает в клетки растения через многочисленные нижние отверстия листа – устьица. Вода необходима для жизнедеятельности растения и содержится в почве.

Из исходных неорганических веществ под воздействием солнечного света синтезируется первичный продукт фотосинтеза глюкоза, а остатки неиспользованного кислорода выделяются в атмосферу.

Зачем растениям нужна глюкоза? Это соединение играет в их жизни важнейшую роль. Вот лишь некоторые процессы, происходящие в тканях растения с участием этого органического вещества:

  • Дыхание – процесс расщепления глюкозы на воду и углекислый газ с высвобождением большого количества тепловой энергии;
  • Создание запасов органических веществ – создание из глюкозы более стойкого к внешним воздействиям вещества – крахмала, который может храниться в клетках растения длительное время и расходоваться при необходимости;
  • Синтез белков, жиров и углеводов – глюкоза является одним из исходных материалов для производства этих веществ, которые необходимы растению для его роста и обеспечения других важнейших процессов в его жизнедеятельности.

Таким образом, основной продукт фотосинтеза- глюкоза является незаменимым источником энергии для жизни растения и материалом для строительства его организма.

Этапы процесса в клетках растений

Фотосинтез в клетках растений осуществляется в 3 этапа:

  • Фотофизический или первичный этап;
  • Фотохимический или световой этап;
  • Ферментативный или темновой этап.

Сущность первичного этапа фотосинтеза заключается в накоплении в хлоропластах растительной клетки световой энергии и передаче ее в особый реакционный центр для обеспечения дальнейших фотохимических процессов.

В процессе фотосинтеза органоиды растения хлоропласты, а точнее молекулы хлорофилла поглощают кванты света и переходят в возбужденное состояние. Но они не остаются в этом состоянии и не хранят в себе световую энергию. Эта энергия передается в молекулы-ловушки, из которой они попадают в реакционный центр.

Около 200-400 молекул хлорофилла имеют энергетическую связь с одной молекулой-ловушкой. В накоплении и передаче световой энергии связи между молекулами играют решающую роль. Продолжением фотофизического является фотохимический этап фотосинтеза, в котором используется уже накопленная световая энергия. Этот этап называется световым, хотя название это неточное.

На самом деле он может проходить и при отсутствии света, используя накопленную ранее световую энергию. Но в процессе фотосинтеза накопление световой энергии и использование ее в фотохимических реакциях происходит одновременно, поэтому фотофизический и фотохимический этап фотосинтеза принято считать его световой фазой.

Этот процесс проходит с использованием накопленной световой энергии и считается частью световой фазы фотосинтеза. 3 этап фотосинтеза – ферментативный. Он может проходить без участия света, так как исходные материалы для его проведения уже получены после прохождения световых этапов.

Читайте также:  Размножение корневым клубнем примеры растений

На 3 этапе из углекислого газа, поступившего в растительную клетку извне, с участием продуктов световой фазы в результате фотосинтеза продуцируется глюкоза. Кислород, полученный при расщеплении воды, выделяется в атмосферу.

Световая фаза

Световая фаза фотосинтеза начинается со сбора световой энергии в светособирающих комплексах молекул хлорофилла и передачи ее в реакционные центры этих комплексов. Молекулы хлорофилла расположены в клетках растений не хаотически.

Они соединяются друг с другом особыми энергетическими связями. Поглощая квант света, молекула хлорофилла получает частицу энергии, которую она передает по энергетическим связям к молекуле, называемой молекулой-ловушкой или реакционным центром.

Каждая молекула хлорофилла может получить фотон света достаточно редко. Но чтобы процессы в растительной клетке не прерывались, фотоны собираются с некоторого участка листа в один реакционный центр.

В него световая энергия будет поступать намного чаще, чем из отдельных молекул хлорофилла. И химические реакции здесь будут идти практически непрерывно. Получив световую энергию, реакционные центры проводят фотолиз воды, которая в достаточном количестве находится в тканях клетки.

Формула фотолиза воды может быть представлена следующим образом;

Вода под воздействием световой энергии распадается на следующие составляющие:

  • Протоны водорода (Н + );
  • Электроны водорода (е — );
  • Кислород (О2).

Но это еще не конечные продукты световой фазы фотосинтеза. Протоны идут на восстановление НАДФ до НАДФН. НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) – соединение, присутствующее во всех растительных и животных клетках и принимающее участие в фотосинтетических процессах.

Это фермент, играющий роль катализатора. Он принимает на себя протоны водорода, превращаясь в НАДФН, а затем отдает их в процессе дальнейших химических реакций. Восстановленный НАДФН и является источником водорода, который используется на темновой стадии фотосинтеза для получения глюкозы из углекислого газа.

Она является источником энергии в различных химических реакциях. В них молекула АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфат), выделяя огромное количество энергии. АТФ – является один из конечных продуктов световой фазы фотосинтеза у растений – энергетическая составляющая, необходимая для прохождения химических реакций темновой фазы.

При фотолизе воды образуется кислород. Так как он не принимает участия в дальнейших химических процессах, растение выделяет его в окружающую среду. Итак, конечными продуктами световой фазы фотосинтеза являются:

Световую фазу фотосинтеза можно представить следующей формулой:

Темновая фаза

Темновая или ферментативная фаза – процесс получения органической глюкозы из углекислого газа. Для ее прохождения свет уже не требуется, если конечные продукты световой фазы имеются в наличии.

Путь С3 называют циклом Кальвина. Он присущ большинству растений на нашей планете. Это сложнейший процесс, проходящий в несколько этапов. Основными этапами цикла Кальвина являются:

  • Карбоксилирование;
  • Восстановление;
  • Регенерация.

В цикле Кальвина осуществляется множество химических реакций, в результате которых синтезируется конечный продукт процесса — органическое соединение глюкоза. Основным отличием этого пути фотосинтеза является первый этап карбоксилирования, когда углекислый газ под воздействием ферментов образует 3-углеродное соединение – фосфоглицериновую кислоту. Поэтому этот путь фотосинтеза назван С3.

Этот путь является модификацией цикла Кальвина и в биологии называется циклом Хэтча-Слэка. Здесь в конечном итоге также образуется глюкоза. Но в этом цикле проходят химические реакции, отличные от С3— пути и используются другие ферменты. Этапы прохождения цикла Хэтча-Слэка:

  • Акцептация;
  • Декарбоксилирование;
  • Цикл Кальвина.

После захвата углекислого газа на этапе акцептации синтезируются 4-углеродные соединения, поэтому этот путь фотосинтеза назван С4. Особенности прохождения С4 пути позволяют растениям накапливать органические кислоты, образующиеся на первых этапах цикла, экономить воду и проводить процесс фотосинтеза в самое жаркое время.

Для этих этапов необходим углекислый газ, но суккуленты не могут получить его днем, поскольку в жару их устьица закрыты и открываются только ночью. А цикл Кальвина у этих растений может проходить днем, когда устьица растений закрыты.

Значение фотосинтеза для растений

В отличие от животных, способных к движению и поиску пищи, растения ведут неподвижный образ жизни. Получить сложные органические соединения сахара, необходимые для строительства их тканей, им неоткуда. Небольшое количество органики растения получают из почвы, но эти соединения они не могут использовать для своей жизнедеятельности в чистом виде.

Но этого питания недостаточно для их полноценного развития. Да и такой процесс охоты связан с большими затратами энергии, которую необходимо откуда-то получать. Вот почему растения приспособились синтезировать органические вещества в своих клетках.

Поэтому в тканях этих живых существ в ходе эволюции сформировался процесс фотосинтеза. Он играет в жизни растений решающую роль. Без него они не могли бы получить необходимые для их жизни органические вещества.

Для растений процесс фотосинтеза решает следующие задачи:

  • Получение органики для строительства тканей организма и участия в химических процессах синтеза веществ метаболизма;
  • Накопление органических веществ и их хранение;
  • Использование накопленной органики для получения энергии путем расщепления.

Благодаря этому процессу растения стали основным источником органических веществ, составляющих основу любой пищевой цепи. Также поглощение углекислого газа и выделение кислорода в процессе фотосинтеза играет важную роль в решении многих экологических проблем.

Источник