Фотосинтез

Фотосинтез

Растения способны из неорганических веществ (углекислого газа и воды) синтезировать органический сахар.

Биология

Этикетки

фотосинтез, Световая фаза, Темновая фаза, хлоропласт, катаболический процесс, autotróf, лист, свет, солнечный свет, кислород, органический материал, углекислый газ, глюкоза, солнечная энергия, вода, кислородно-производство, Фиксация углерода, внутренняя мембрана, грана, тилакоид, матрица, фотосистема II, фотосистема I, фотосинтезирующие пигменты, АТФ, АТФаза, электронтранспортная система, глицериновой кислоты-3-фосфат, глицеральдегид-3-фосфат, рибулозо-1,5-дифосфат, Трансформация энергии, цикл, фотон, атмосферные газы, углевод, Солнце, обмен веществ, растение, биохимия, биология, _javasolt

Связанные экстра

Сцены

Суть фотосинтеза

  • CO₂ - Углекислый газ – неорганическое вещество, которое растение превращает в органическое – процесс образования сахаров. Растения – автотрофные организмы: способны перерабатывать неорганические вещества в органические. Гетеротрофные живые организмы (животные, грибы) не обладают данной способностью.
  • O₂ - Кислород образуется в процессе фотосинтеза в качестве побочного продукта. Кислородная потребность гетеротрофных организмов на Земле обеспечивается процессами фотосинтеза.
  • свет - Частицы света – фотоны. С использованием энергии фотонов света происходит преобразование неорганического углекислого газа в органические вещества – в сахара.
  • C₆H₁₂O₆ - Глюкоза или виноградный сахар. Вырабатывается в растениях из углекислого газа при наличии световой энергии.
  • H₂O - В растение вода поступает из почвы. В процессе фотосинтеза вода расщепляется на кислород, протоны (H⁺) и электроны (e⁻).

Структура листа растения

  • проводящий пучок: ксилема (древесина) - Транспортирует воду и минеральные соли. В процессе фотосинтеза вода расщепляется на кислород, протоны (H⁺) и электроны (e⁻).
  • проводящий пучок: флоэма (кора) - Транспортирует растворимые в воде органические вещества. Образующиеся в процессе фотосинтеза сахара по сосудам флоэмы переносятся к различным частям растения.
  • устьице - Через устьице поступает углекислый газ, необходимый для фотосинтеза, проходящего в паренхиме, и здесь же удаляется и образующийся в реакции кислород. Через устьице проходит и испарение воды, поэтому для предотвращения пересыхания растение способно перекрывать его.
  • паренхима - Клетки паренхимы содержат большое количество хлоропласта, в которых и проходит фотосинтез. Верхний, палисадный слой паренхимы имеет плотную структуру, нижний, губчатый слой – рыхлую.
  • эпидермис - Состоит из одного слоя клеток, не содержащих хлоропластов – за исключением замыкающих клеток устьиц. Обеспечивает защиту растения и, при посредстве устьиц, связь с окружающей средой.

Фотосинтез

  • проводящий пучок: ксилема (древесина) - Транспортирует воду и минеральные соли. В процессе фотосинтеза вода расщепляется на кислород, протоны (H⁺) и электроны (e⁻).
  • проводящий пучок: флоэма (кора) - Транспортирует растворимые в воде органические вещества. Образующиеся в процессе фотосинтеза сахара по сосудам флоэмы переносятся к различным частям растения.
  • устьице - Через устьице поступает углекислый газ, необходимый для фотосинтеза, проходящего в паренхиме, и здесь же удаляется и образующийся в реакции кислород. Через устьице проходит и испарение воды, поэтому для предотвращения пересыхания растение способно перекрывать его.
  • клетка паренхимы - Содержит большое количество хлоропластов: в них проходит фотосинтез.
  • CO₂ - Углекислый газ – неорганическое вещество, которое растение превращает в органическое – процесс образования сахаров. Растения – автотрофные организмы: способны перерабатывать неорганические вещества в органические. Гетеротрофные живые организмы (животные, грибы) не обладают данной способностью.
  • O₂ - Образуется в процессе фотосинтеза в качестве побочного продукта. Кислородная потребность гетеротрофных организмов на Земле обеспечивается процессами фотосинтеза.
  • свет - Его частицы – фотоны. С использованием энергии фотонов света происходит преобразование неорганического углекислого газа в органические вещества – в сахара.
  • C₆H₁₂O₆ - Глюкоза или виноградный сахар. Вырабатывается в растениях из углекислого газа при наличии световой энергии.
  • H₂O - В растение вода поступает из почвы. В процессе фотосинтеза вода расщепляется на кислород, протоны (H⁺) и электроны (e⁻).

Клетка

  • аппарат Гольджи - Имеет важное значение в процессе созревания белков.
  • эндоплазматическая сеть (ЭПС) - Внутриклеточная, сложная мембранная система. Участвует в белковом и липидном синтезах, в процессах созревания белков и расщепления некоторых веществ.
  • везикула - Мембранно-защищенная сумка для внутриклеточной транспортировки различных веществ. Один из видов везикул- лизосомы, в них происходят переваривание макромолекул и расщепление побочных веществ.
  • цитоплазма
  • вакуоль - Полость в клетке, заполненная клеточным соком. Важное значение имеет в регулировании внутриклеточного тургорного давления, накоплении питательных веществ и выделении продуктов метаболизма.
  • зелёный пластид (хлоропласт) - Здесь проходит процесс фотосинтеза: в растении при поглощении солнечной энергии углекислый газ превращается в сахара.
  • клеточная стенка - Состоит в основном из целлюлозы. Покрывает мембрану клетки растения, обеспечивает ее защиту, формирует контур клетки и придает конструкционную жесткость растительным тканям.
  • ядро клетки - Содержит хроматин – комплекс ДНК, РНК и белков.n Клетки животных, растений и грибов – эукариоты, то есть имеют ядра. Прокариотные клетки (у бактерий) ядер не имеют, их ДНК находится в цитоплазме.
  • клеточная мембрана - Окружающая ядро липидная мембрана.
  • цитоскелет - Обеспечивает размещение и передвижение органелл клетки, а в клетках животных, не имеющих клеточной стенки,поддерживает целостность клетки.
  • митохондрия - Энергетические станции клетки: окисляя органические молекулы, синтезируют АТФ (аденозинтрифосфат), являющийся центральным энергетическим источником клетки.

Световая фаза

  • зелёный пластид (хлоропласт) - Здесь проходит фотосинтез: превращение углекислого газа в виноградный сахар с использованием световой энергии.
  • внутренняя мембрана - Дискообразные выпячивания на внутренней мембране – это тилакоиды, они содержат ключевые ферменты светозависимых реакций фотосинтеза. Тилакоиды образуют структуры, подобные стопке дисков, так называемые граны.
  • грана
  • тилакоид
  • строма
  • мембрана тилакоида - Содержит ключевые ферменты светозависимой реакции фотосинтеза.
  • тилакоид внутри
  • фотосистема II - Состоит из белков и светопоглощающих пигментов. Длина волн поглощаемого света: 680 нанометров. Пигменты:хлорофилл а, хлорофилл b и ксантофилл. Главный пигмент реакционного центра - хлорофилл а, который при поглощении фотона света переходит в возбужденное состояние и испускает электрон, попадающий затем в электронтранспортную систему.
  • фотосистема I - Состоит из белков и светопоглощающих пигментов. Длина волн поглощаемого света: 700 нанометров. Пигменты: хлорофилл а, хлорофилл b и каротин. Главный пигмент реакционного центра-хлорофилл а. При поглощении фотона света он переходит в возбужденное состояние и испускает электрон, который затем замещается электроном из электронтранспортной цепи фотосистемы I.
  • e⁻
  • H₂O - В растение вода поступает из почвы. В процессе фотосинтеза вода расщепляется на кислород, протоны (H⁺) и электроны (e⁻).
  • O
  • H⁺
  • O₂ - Кислород образуется в процессе фотосинтеза в качестве побочного продукта. Кислородная потребность гетеротрофных организмов на Земле обеспечивается процессами фотосинтеза.
  • ПХ - Пластохинон. Переносит электроны от фотосистемы II к цитохромному комплексу.
  • цит - Цитохромный комплекс. В его состав входит железосодержащий белок. Цитохром забирает электроны от пластохинона и переносит их к пластоцианину, при этом нагнетая ионы водорода в люмен тилакоида через его мембрану.
  • ПЦ - Пластоцианин. Забирает от цитохромного комплекса электроны и переносит их к фотосистеме I.
  • ФД - Ферредоксин. Переносчик электронов от фотосистемы I к молекулам ФНР: к ферредоксин-НАДФ-редуктазе.
  • ФНР - Ферредоксин-НАДФ-редуктаза. Переносит электрон от ферредоксина к НАДФ, то есть восстанавливает молекулы НАДФ.
  • фосфат
  • АДФ
  • АТФ - Аденозинтрифосфат: образуется при соединении АДФ и фосфата. Молекула энергетического центра клетки. При участии АТФ происходит превращение неорганического углекислого газа в органическую молекулу глюкозы в процессе темновой реакции фотосинтеза.
  • НАДФ - Никотинамидадениндинуклеотидфосфат: забирая от ФНР электрон и ион водорода из проходящих через аденозинтрифосфатазу протонов, восстанавливается до НАДФ-гидрина (НАДФН).
  • НАДФН
  • АТФаза - Аденозинтрифосфатаза - белковый фермент для синтеза АТФ. Ионы водорода с внутренней стороны мембраны тилакоида переходят через нее на внешнюю сторону. Они устремляются наружу из-за высокой концентрации протонов и избыточного позитивного заряда внутри тилакоида. Поэтому при переходе через АТФазу высвобождается энергия, которая используется для синтеза АТФ.
  • электронтранспортная система - Возбужденные электроны фотосистемы II по электронтранспортной цепи переходят к фотосистеме I. Между тем ионы водорода переходят через мембрану и накапливаются внутри тилакоида.
  • подъёмная сила, действующая на протоны

Темновая фаза

  • АТФ
  • АДФ
  • НАДФН
  • НАДФ
  • 5C - Молекула глюкозы с 5-ю атомами углерода (пентозо-дифосфат).
  • CO₂ - Углекислый газ. Неорганическая молекула, которую растение превращает в органическую: происходит образование сахаров. В 5-углеродном сахаре растет число атомов углерода. Катализатор встраивания - белковый фермент Рубиско является ключевым ферментом темновых реакций.
  • 3C
  • 3C - 3-углеродная молекула
  • 6C (глюкоза) - Продукт фотосинтеза, образующийся из пятиуглеродного сахара при присоединении к нему моноуглеродного неорганического углекислого газа. В дальнейших обменных процессах растения на его основе происходит синтез крахмала, а также образуется АТФ в процессах расщепления.
  • связывание CO₂, синтез 3-фосфоглицериновой кислоты - Ключевая реакция темновой фазы. Здесь встраивается неорганический углекислый газ в органическую молекулу углевода. Суть автотрофных процессов в том, что из неорганического вещества образуется органическое. Число атомов углерода в молекулах возрастает с 5-и до 6-и, продукт реакции: две молекулы 3-углеродного 3-глицерофосфата. Катализатором реакции является фермент Рубиско.
  • образование 1,3-дифосфоглицериновой кислоты - Трехуглеродная 3-фосфоглицериновая кислота при участии АТФ превращается в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту.
  • синтез глицеральдегид-3-фосфата - Трехуглеродная 1,3-дифосфоглицериновая кислота преобразуется в трехуглеродный глицеральдегид-3-фосфат. Для реакции необходимо наличие НАДФН, в результате образуется неорганический фосфат ( для упрощения это в анимации не показано).
  • выход глицеральдегид-3-фосфата из цикла - Из шести глицеральдегида-3-фосфата один выпадает из цикла, и в дальнейшем участвует во внутриклеточном синтезе глюкозы.
  • синтез пентозо-бифосфата - В несколько этапов, при наличии катализаторов реакции, с участием АТФ молекулы трехуглеродного глицеральдегид-3-фосфата преобразуются в пятиуглеродный пентоз-бифосфат (рибулозо-1,5-бифосфат). Этот процесс также называется регенерацией рибулозо-1,5-бифосфата. Цикл повторяется заново.

Искусственный лист

  • нитридный полупроводник - Дешевый, широкоиспользуемый полупроводник. При помощи световой энергии расщепляет воду. Это соответствует световой фазе фотосинтеза.
  • металлический катализатор - Катализатор реакции восстановления углекислого газа. Это соответствует темновой фазе фотосинтеза. Углекислый газ превращается в органическую муравьиную кислоту.
  • H₂O
  • O₂
  • H⁺
  • e⁻
  • CO₂
  • НСООН (муравьиная кислота)

Анимация

Речевое сопровождение

Суть фотосинтеза заключается в том, что с использованием солнечной энергии из неорганического углекислого газа растение вырабатывает органическое веществовиноградный сахар. Процесс сопровождается выделением кислорода.

Фотосинтез проходит в зелёных частях растения, таких как лист или мягкий стебель. Зелёный цвет им придаёт паренхима, в клетках которой в большом количестве находятся зелёные пластидыхлоропласты – именно в них и проходит фотосинтез.

Хлоропласты наделены двойной мембраной, внутренняя из которых образует дисковидные тилакоиды. Наслаиваясь, тилакоиды создают структуры, подобные стопкам дисков – граны. Мембрана тилакоидов содержит ключевые ферменты светозависимых реакций фотосинтеза.

Наиболее важные из них – две фотосистемы и связывающая их электронтранспортная цепь.
В фотосистемах находятся связанные с белками, светопоглощающие пигменты, среди которых зелёный хлорофилл – самый важный.

Молекулы хлорофилла а реакционного центра фотосистемы II под действием фотонов света возбуждаются и испускают электроны. Они поступают в электронтранспортную систему. Электрондефицитный, окисленный хлорофилл восполняет электроны из молекул воды, образующиеся при её расщеплении: атомы кислорода воды объединяются в молекулы, а протоны накапливаются на внутренней стороне мембраны тилакоида.

Первый участник электронтранспортной цепи – пластохинон, который переносит электрон к цитохромному комплексу.
Цитохром – железосодержащий белок, транспортирующий электрон к пластоцианину, при этом нагнетая дополнительные протоны на внутреннюю сторону мембраны тилакоида. Электроны с транспортной цепи попадают в фотосистему I.

Молекула хлорофилла реакционного центра фотосистемы I находится в электрондефицитном состоянии, так как под действием фотонов света произошёл выброс электрона. Испущенные электроны при посредстве ферредоксина переносятся к ферредоксин-НАДФ-редуктазе.

В световой фазе внутри тилакоида накапливаются протоны, поэтому здесь растёт концентрация водородных ионов и создаётся излишний положительный заряд. Это вызывает появление подъёмной силы. Протоны могут выходить через АТФазу (аденозинтрифосфатазу), при этом выделяется энергия, поскольку в процессе выравнивания концентрации протонов и заряда, система переходит с высокоэнергетического уровня на более низкий. Высвобождающаяся энергия используется в синтезе АТФ. Свободные протоны и электроны захватываются молекулами НАДФ, при этом образуются молекулы НАДФН.

Резюме:
Под действием поглощенной энергии фотонов света создаётся неоднородное распределение протонов. Возникающая вследствие этого тяговая сила в конечном результате приводит к синтезу АТФ.

Темновые реакции не требуют света. В процессе темновых реакций происходит встраивание диоксида углерода в органические вещества при участии водорода молекулы НАДФН и энергии, выделяющейся в светозависимых реакциях синтеза АТФ.
Начнём с 3 молекул 5-углеродного сахара!
Общая сумма атомов углерода – 15. При участии некоторого белкового фермента во все три молекулы встраивается по одной молекуле углекислого газа, в результате получаемый продукт расщепляется надвое. Образуются шесть 3-углеродных молекулы, общая сумма атомов углерода возрастает до 18. При участии по одной молекуле НАДФН и АТФ образуются молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Одна из них выходит из цикла, остальные при участии трех молекул АТФ превращаются обратно в три молекулы 5-углеродного сахара, и цикл повторяется заново.

Итак, всего за весь цикл высвободилась одна 3-углеродная молекула, для этого понадобились АТФ и НАДФН, которые были синтезированы в светозависимых реакциях. В двух таких циклах образуются две 3-углеродные молекулы, которые, сцепляясь, создают 6-углеродную молекулу глюкозы. Из образовавшейся глюкозы в растении создаются запасы питательных веществ, крахмал, и в метаболических процессах расщепления идёт синтез АТФ.

В настоящее время ведутся эксперименты с искусственными системами фотосинтеза. На макете искусственного листа в двух отдельных ёмкостях проходят световые и темновые реакции. Световые реакции идут на нитридном полупроводнике, при освещении на нём проходит реакция расщепления воды. Кислород выделяется в форме пузырьков, протоны и, по проводнику, электроны переходят в другую ёмкость, где идут темновые реакции. Здесь проходит синтез муравьиной кислоты из углекислого газа и воды при посредстве металлического катализатора. Система даёт возможность использования солнечной энергии. При этом может быть достигнуто понижение содержания углекислого газа в атмосфере, что способствовало бы сдерживанию парникового эффекта.

Связанные экстра

Круговорот кислорода в природе

Для большинства живых организмов необходимо наличие кислорода. На нашей Земле происходит...

Парниковый эффект

Парниковый эффект усиливается вследствие жизнедеятельности человека и является причиной...

Хлорофилл

Зелёный пигмент растений, поглощая солнечную энергию, становится незаменимым участником...

Клетки тканей растений и животных, клеточные органоиды

В эукаритических клетках находится множество органоидов.

Загрязнение атмосферного воздуха

В анимации показаны основные источники загрязнения воздуха: сельскохозяйственные,...

Транспортные процессы

Анимация показывает пассивные и активные транспортные процессы, протекающие через...

Mеханизм действия ферментов

Ферменты – это обычные белковые молекулы или их комплексы, ускоряющие (катализирующие)...

Семя и прорастание

Семя двудольных растений состоит из двух семядолей, а у однодольных растений из одной...

Вегетативные органы растений

Органы, которые необходимы для жизни и развития растения.

Ниша

Ниша - это абстрактное понятие, характеризующее требования живых организмов и их...

Круговорот углерода

Углерод в результате фотосинтеза встраивается в структуру органических соединений, а в...

Анатомия листьев

В анимации приводятся основные типы листьев, а также показаны отличия между листьями...

Цветок

При помощи анимации мы можем ознакомиться со строением типичного цветка.

АДФ, АТФ

АТФ является универсальным источником энергии для всех биохимических процессов,...

Солнце

Диаметр Солнца приблизительно в 109 раз больше диаметра Земли. Состоит в основном из...

Истребление лесов

Истребление лесов оказывает серьёзное негативное влияние на окружающую среду.

Амёба обыкновенная

Одноклеточный, гетеротрофный организм, обитающий в пресной воде, форма которого постоянно...

Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение является свойством жидкости, при котором она стремится принять...

Кислород (O₂) (средний уровень)

Самый распространённый элемент на Земле, необходим для жизни.

Сравнение однодольных и двудольных растений

Покрытосеменные растения образуют две большие группы: однодольные и двудольные.

Эвглена зелёная

Одноклеточное, обитающее в пресных водоёмах. Способно как к автотрофному, так и к...

Added to your cart.