Фотосинтез

Фотосинтез

Рослини здатні із неорганічних речовин (вуглекислий газ і вода) синтезувати органічний цукор.

Біологія

Ключові слова

фотосинтез, легка фаза, темна фаза, хлоропласт, катаболічний процес, autotróf, лист, світло, сонячне світло, кисень, органічний матеріал, вуглекислий газ, глюкоза, сонячна енергія, вода, виробництво кисню, зв'язування вуглецю, внутрішня мембрана, грана, тилакоидов, матриця, фотосистема II, фотосистема I, фотосинтезирующие пігменти, АТФ, АТФази, ланцюг транспорту електронів, гліцеринової кислоти-3-фосфат, глицеральдегид-3-фосфат, пентози біфосфат, перетворення енергії, цикл, фотон, атмосферні гази, вуглевод, Сонце, метаболізм, рослина, біохімія, біологія, _javasolt

Пов'язані об'єкти

Сцени

Принцип фотосинтезу

  • CO₂ - Вуглекислий газ або діоксид вуглецю це, тривка неорганічна сполука, яку рослина здатна перетворити в органічну - процес утворення цукрів. Рослини є автотрофними організмами; вони здатні перетворювати неорганічні речовини в органічні. Гетеротрофні живі організми (тварини та грибки) не мають цієї властивості.
  • O₂ - Кисень, цей хімічний елемент, виділяється як побічний продукт під час фотосинтезу. Кисень який необхідний гетеротрофним організмам на Землі, забезпечується процесами фотосинтезу.
  • світло - Його частинки називаються фотонами. Рослини використовують енергію фотонів світла для перетворення неорганічного СО2 в органічні речовини - в цукри.
  • C₆H₁₂O₆ - Глюкоза (також декстроза (D-глюкоза) або виноградний цукор). Рослини виробляють її з вуглекислого газу, використовуючи енергію світла.
  • H₂O - Рослина поглинає її з грунту. Під час фотосинтезу молекули води розщеплюються на кисень, протони (H⁺) та електрони (e⁻).

Структура листка рослини

  • провідні пучки: ксилема (деревина) - Транспортують воду та мінеральні солі. В процесі фотосинтезу молекули води розщеплюються на кисень, протони (H⁺) та електрони (e⁻).
  • провідний пучок: флоема (кора) - Транспортує розщинні у воді органічні речовини. Вироблені в процесі фотосинтезу цукри транспортуються по судинам флоеми до інших частин рослини.
  • продих - Через продих надходить СО2, необхідний для фотосинтезу який відбувається в клітинах мезофілу або паренхіми, через нього ж і випускається вироблений кисень. Через продихи проходить і випаровування води, тому аби запобігти пересиханню рослина здатна перекривати їх.
  • основна фотосинтезуюча тканина (мезофіл) - Його клітини містять велику кількість хлоропластів, в яких відбувається фотосинтез. Верхній шар складається з вертикально витягнутої клітини, а нижній шар має губчасту текстуру.
  • епідерміс зовнішній шар - Він складається з одного шару клітин. Його клітини (за винятком охоронних клітин стоматів) не містять хлоропластів. Цей шар служить для захисту рослини та для підтримки контакту з навколишнім середовищем через стомати.

Фотосинтез

  • провідні пучки: ксилема - Транспортують воду та мінеральні солі. В процесі фотосинтезу молекули води розщеплюються на кисень, протони (H⁺) та електрони (e⁻).
  • провідний пучок: флоема - Транспортує розщинні у воді органічні речовини. Вироблені в процесі фотосинтезу цукри транспортуються по судинам флоема до інших частин рослини.
  • продих - Через продих надходить СО2, необхідний для фотосинтезу який відбувається в клітинах мезофілу або паренхіми, через нього ж і випускається вироблений кисень. Через продихи проходить і випаровування води, тому аби запобігти пересиханню рослина здатна перекривати їх.
  • клітини мезофілу (паренхіми) - Містить велику кількість хлоропластів, в яких відбувається фотосинтез.
  • CO₂ - Вуглекислий газ або діоксид вуглецю це, тривка неорганічна сполука, яку рослина здатна перетворити в органічну - процес утворення цукрів. Рослини є автотрофними організмами; вони здатні перетворювати неорганічні речовини в органічні. Гетеротрофні живі організми (тварини та грибки) не мають цієї властивості.
  • O₂ - Цей хімічний елемент, виділяється як побічний продукт під час фотосинтезу. Кисень який необхідний гетеротрофним організмам на Землі, забезпечується процесами фотосинтезу.
  • світло - Його частинки називаються фотонами. Рослини використовують енергію фотонів світла для перетворення неорганічного СО2 в органічні речовини - в цукри.
  • C₆H₁₂O₆ - Глюкоза (також декстроза (D-глюкоза) або виноградний цукор). Рослини виробляють її з вуглекислого газу, використовуючи енергію світла.
  • H₂O - Рослина поглинає її з грунту. Під час фотосинтезу молекули води розщеплюються на кисень, протони (H⁺) та електрони (e⁻).

Клітина

  • апарат Гольджі - Відіграє важливу роль в процесі дозрівання білків.
  • ендоплазматична сітка - Комплексна, складна, взаємозв'язана мережа мембранних везикул всередині клітини. Відіграє важливу роль: у синтезі білків та ліпідів, в процесі дозрівання білків, у розщепленні певних речовин.
  • везикула - Загорнутий у мембрану, захищений пузир для внутрішньоклітинного транспортування різних речовин. Одним із типів везикул є лізосоми, в них відбуваються перетравлювання макромолекул і розщеплення побічних речовин.
  • цитоплазма
  • вакуоль - Порожнина всередині клітини, наповнена клітинним соком. Відіграє важливу роль у регулюванні внутрішнього гідростатичного тиску або тургору у клітині, зберіганні мінералів та видаленні відходів.
  • хлоропласт - Саме у ньому відбувається процес фотосинтезу: поглинаючи сонячну енергію і використовуючи вуглекислий газ який перетворюється в цукри.
  • клітинна стінка - Складається з целюлози. Вкриваючи мембрану клітини рослини служить захистом, підтримує її форму та надає міцності рослинним тканинам.
  • ядро - Складається з хроматину, комбінації ДНК, РНК і білків. Клітини тварин, рослин і грибків є еукаріотами, тобто містять ядра. Прокаріотичні клітини (у бактерій) не мають ядер, їх ДНК знаходиться в цитоплазмі.
  • клітинна мембрана - Оточуюча ядро клітини, ліпідна мембрана.
  • цитоскелет - Відіграє важливу роль у розміщенні і русі везикул та органел клітини, а в клітинах тварин, які не мають клітинних стінок, забезпечує структуру та форму клітин.
  • мітохондрія - Електростанція клітини: вона виробляє АТФ шляхом розщеплення органічних молекул. АТФ являє собою молекулу джерелом передачі енергії клітини.

Світлова фаза

  • хлоропласт - Тут відбувається фотосинтез (виробництво глюкози з діоксиду вуглецю, з використанням сонячної енергії). Має подвійну мембрану; внутрішня мембрана містить ферменти, які необхідні для фотосинтезу.
  • внутрішня мембрана - Тилакоїдні диски утворюються за рахунок інвагінації (або складання) цієї мембрани. Вони містять основні ферменти світлової фази фотосинтезу. Тилакоїдні диски утворюють штабелі, які називаються грана.
  • грана
  • тилакоїд
  • строма
  • мембрана тилакоїда - Містить основні ферменти світлової стадії фотосинтезу.
  • будова тилакоїдів (всередині)
  • Фотосистема II - Складається з білків та світлопоглинаючих пігментів. Максимум поглинання світлових хвиль становить 680 нанометрів. ЇЇ пігменти: це хлорофіл а, хлорофіл b та ксантофіл. Центральним пігментом в її реакційному центрі є хлорофіл а. Коли хлорофіл поглинає фотон світла, переходить в збуджений стан і вивільняє електрон, який потім входить до електронно-транспортної системи.
  • Фотосистема I - Складається з білків та світлопоглинаючих пігментів. Максимум поглинання світлових хвиль становить 700 нанометрів. Її пігменти це хлорофіл а, хлорофілом б і каротин. Центральним пігментом в її реакційному центрі є хлорофіл а. Коли хлорофіл поглинає фотон, він переходить у збуджений стан і вивільняє електрон. Фотосистема I замінює цей електрон на один, прийнятий з електронно- транспортного ланцюга.
  • e⁻
  • H₂O - Рослина поглинає її з грунту. Під час фотосинтезу молекули води розщеплюються на кисень, протони (H⁺) та електрони (e⁻).
  • O
  • H⁺
  • O₂ - Кисень, цей хімічний елемент, виділяється як побічний продукт під час фотосинтезу. Кисень який необхідний гетеротрофним організмам на Землі, забезпечується процесами фотосинтезу.
  • PQ - Пластохінон. Він транспортує електрони, випущені Фотосистемою II, в цитохромний комплекс.
  • цит - Цитохромний комплекс. У ньому є залізомісткі білки. Він приймає електрони з комплексу PQ пластохінон і переносить їх на пластоціанін. При цьому нагнітає іони гідридів через мембрану в просвіт тилакоїда.
  • PC - Пластоціанін. Він приймає електрони з цитохромного комплексу і передає їх у Фотосистему I.
  • Fd - Ферредоксин. Він приймає електрони з Фотосистеми I і передає їх у молекулу ФНР, за допомогою ферменту ферредоксин-НАДФ-редуктази.
  • FNR - Ферредоксин-НАДФ-редуктаза. Переносить електрони від ферродоксина до НАДФ, тобто відновлює НАДФ.
  • фосфат
  • АДФ
  • АТФ - Адезинотрифосфат утворюється шляхом об'єднання АДФ і фосфата. Це основна молекула енергопостачання клітин. Органічний цукор виробляється з неорганічного вуглекислого газу, використовуючи АТФ.
  • НAДФ⁺ - Нікотинамідадениндинуклеотидфосфат відноволюється до НАДФ шляхом прийняття електрона (e⁻) з ФНР та протона (H⁺), який проходить через ATФазу.
  • НAДФН
  • АТФаза - Аденозинтрифосфатаза ферментний білок, який продукує АТФ. Протони (іони H⁺) проходять з внутрішньої сторони тілакоїдної мембрани на зовнішню сторону через АТФазу. Протони проходять зсередини назовні через високу концентрацію протонів та надмірний позитивний заряд всередині тилакоїду. Поки вони проходять через АТФазу, виділяється енергія, яка використовується для виробництва АТФ.
  • електронно-транспортний ланцюжок - Електрони (e⁻), збуджувані Фотосистемою II, мігрують до Фотосистеми I через електронно- транспортний ланцюжок. Тим часом протони проходять через мембрану і накопичуються всередині тилакоїда.
  • рушійна сила іонів H⁺

Темнова фаза

  • АТФ
  • АДФ
  • НAДФН
  • НAДФ⁺
  • 5C - Молекула глюкози, що містить 5 атомів вуглецю (пентозо-біфосфат).
  • CO₂ - Вуглекислий газ, двоокис вуглецю - це неорганічна молекула, яку рослина перетворює на органічну молекулу, тобто цукор. Вона збільшує кількість атомів вуглецю пентози. Фермент Рубіско, який каталізує вбудовування вуглецю, є ключовим ферментом темнової реакції.
  • 3C
  • 3C - Молекула, що містить 3 атоми вуглецю (гліцеральдегід-3-фосфат).
  • 6C (глюкоза) - Продукт фотосинтезу утворений з п'ятивуглецевої молекули цукру та моновуглецевого неорганічного вуглекислого газу. Завод використовує глюкозу В подальших метаболічних процесах рослина використовує глюкозу для синтезу крохмалю або для виробництва АТФ в процесах розщеплення.
  • зв'язування CO₂, утворення 3-фосфат-гліцеринової кислоти - Ключова реакція темної фази. Тут неорганічний вуглекислий газ вбудовується в органічну молекулу цукру. Сутність автотрофних процесів полягає в тому, що органічні речовини утворюються з неорганічного матеріалу. Кількість атомів вуглецю на молекулу збільшується з 5 до 6; результатом цієї реакції є дві молекули трьохвуглецевої 3-фосфогліцеринової кислоти. Каталізатором цієї реакції є фермент Рубіско.
  • Утворення 1,3-дифосфатгліцеринової кислоти - Трьохвуглецева молекула 3-фосфогліцеринової кислоти за участю АТФ перетворюється в молекулу 1,3-дифосфатогліцеринової кислоти.
  • Утворення гліцеральдегіду 3-фосфату - Трьохвуглецева 1,3-дифосфатогліцеринової кислоти перетворюється на молекулу трьохвуглецевого трициклічного гліцеральдегіду 3-фосфату. Реакція використовує НАДФ; в результаті утворюється неорганічний фосфат. (для спрощення, це не показано в анімації.)
  • Отримання гліцеральдегіду 3-фосфату з циклу - Із шести молекул гліцеральдегіду-3-фосфату одна випадає з циклу і використовується клітиною при утворенні глюкози.
  • Утворення рибулозо-1,5-біфосфат - В декілька етепів, за участю каталізаторів реакції, і з використанням АТФ молекули трьохвуглецевого гліцеральдегід-3-фосфату перетворюються у п'ятивуглецевий рибулозо-1,5-дифосфату (пентазо-біфосфат). Цей етап також називають регенерацією рибулозо-1,5-бісфосфату. Цикл починається знову заново.

Штучний листок

  • нітридний напівпровідник - Це дешевий і широко використовуваний напівпровідник. Він розщеплює молекули води, використовуючи енергію світла. Що є еквівалентом світлової фази фотосинтезу.
  • металевий каталізатор - Каталізує реакції зниження двоокису вуглецю, що відповідає темновій фазі фотосинтезу. Він виробляє органічний матеріал (мурашина кислота) з двоокису вуглецю.
  • H₂O
  • O₂
  • H⁺
  • e⁻
  • CO₂
  • НСООН (мурашина кислота)

Анімація

Озвучування

У процесі фотосинтезу рослини, використовуючи енергію світла, з неорганічних речовин - вуглекислого газу та води, синтезують органічну сполуку - виноградний цукор. Цей процес супроводжується виділенням кисню.

Фотосинтез відбувається у зелених частинах рослин, тобто в листках і часто в м'якому стеблі. Зелений колір рослин зумовлений великою кількістю хлоропластів у клітинах мезофіла фотосинтезуючої тканини. Саме хлоропласти є місцем, де відбувається фотосинтез.

Хлоропласти містять подвійну мембрану. Внутрішня мембрана утворює дископодібні тилакоїди, які утворюють шари, що називаються граном. Тилакоідна мембрана містить основні ферменти світлової фази фотосинтезу.

Найважливішими з них є дві фотосистеми та електронно-транспортний ланцюжок між ними. Фотосистеми містять білково-зв'язані світлопоглинаючі пігменти, найважливішим з яких є хлорофіл. Головні молекули хлорофілу реакційного центру Фотосистеми II під дією фотонів світла, переходять в збуджений стан і вивільняють електрони, які попадають в електронно-транспортну систему. Окислений, електронно-дефіцитний хлорофіл замінює відсутні електрони коштом молекул води, яку розщеплює. Атоми кисню в молекулах води об'єднуються, щоб сформувати молекулярний кисень, а протони накопичуються всередині мембрани.

Першим елементом електронно-транспортного ланцюжка є пластохінон, який переносить електрони до цитохромного комплексу. Цитохром - це залізомісткий білок, який транспортує електрони на пластоціанін при цьому перекачує більшу кількість протонів у люмен - тилакоїдний простір.

З електронно-транспортного ланцюга електрони переносяться в Фотосистему I. Центральна молекула хлорофілу реакційного центру фотосистеми I бувши в електронно-дефіцитному стані, оскільки раніше вона вивільнила електрони, під дією фотонів світла. Після чого вивільнені електрони через молекули ферродоксину передаються на ферродоксин-НAДФ⁺-редуктази. У світловій фазі протони накопичуються всередині тилакоїда, через що тут збільшується концентрація протонів, таким чином він стає позитивно зарядженим. Це створює зовнішню рушійну силу. Протони виходять назовні через АТФазу, при цьому виділяється енергія, оскільки в процесі вирівнювання концентрації протонів та заряду система переходить із високоенергетичного стану в стан низької енергії. Вивільнена енергія використовується в синтезі АТФ. Вільні протони та електрони приймаються молекулами НAДФ⁺ перетворюючись в НAДФН. Підсумовуючи сказане, поглинена енергія фотонів світла призводить до нерівномірного розподілу протонів. Це створює рушійну силу, яка призводить до синтезу АТФ.

Реакції темнової фази не потребують світла. У цій фазі двоокис вуглецю приєднується до органічної сполуки, використовуючи енергію, що утворилася у світозалежній реакції синтезу АТФ та іони водню НАДФН.

Почнемо з 3 молекул 5-вуглецевого цукру. В цілому, вони мають 15 атомів вуглецю. За участю деякого білкового ферменту в усі три молекули цукру вбудовується по 1 молекулі вуглекислого газу, в результаті отримується продукт, що розщеплюється надвоє, це 6-сть 3-вуглецевих молекули, загальна сума атомів вуглецю зростає до 18. Потім, за участю 1 НАДФН та 1 АТФ кожної молекули, утворюються 6 молекул гліцеральдегід-3-фосфату. Одна з них виходить із циклу, а інші за участю 3 молекул АТФ перетворюються назад в 3 молекули 5-вуглецевого цукру, і цикл починається заново. Таким чином, використовуючи АТФ та НАДФН, які синтезувалися в світловій фазі, в цьому циклі вивільнилася 1 3-вуглецева молекула. Два таких цикли утворюють 2 3-вуглецеві молекули, які об'єднуючись утворюють 6-вуглецеву молекулу глюкози. Рослина використовує глюкозу в своїх подальших метаболічних процесах, для синтезу крохмалю або в процесах розщеплення для синтезу АТФ.

Зараз проводяться експерименти зі штучними системами, що імітують фотосинтез. У штучному листі світлові та темнові реакції відбуваються у двох окремих місткостях. Світлові реакції йдуть на нітридному напівпровіднику, під дією світла на ньому проходить реакція розщеплення води. Кисень виділяється у формі бульбашок, а протони та, по провідному дроті, електрони передаються в іншу посудину, для темнових реакцій. Тут за допомогою металевого каталізатора, відбувається синтез мурашиної кислоти з вуглекислого газу та води. Ця система дає можливість використовувати енергію сонячного світла, а також може бути корисною у зменшенні вмісту вуглекислого газу в атмосфері, що сприяло б зменшенню парникового ефекту і, відповідно, глобального потепління.

Пов'язані об'єкти

Кругообіг кисню в природі

Для більшості живих організмів потрібна наявність кисню. На нашій Землі відбувається його безперервний кругообіг.

Парниковий ефект

Діяльність людини збільшує парниковий ефект і призводить до глобального потепління.

Хлорофіл

Хлорофіл - світлочутливий зелений пігмент, що зустрічається в рослинах; він поглинає світлову енергію, тому відіграє важливу роль у фотосинтезі.

Ферменти

Ферменти - це білкові молекули, які каталізують біохімічні реакції. Їх активність може регулюватися.

Забруднення повітря

Ця анімація демонструє основні джерела забруднення атмосфери: сільськогосподарське, промислове та забруднення повітря містом.

Механізм транспорту речовин

Ця анімація пояснює активні та пасивні транспортні процеси, що відбуваються через клітинні мембрани.

Насіння і проростання

Насінина дводольних рослин має два зародкових листка (сім'ядолі), а однодольних - лише один.

Вегетативні органи рослин

Ці органи є життєво необхідними для життя і розвитку рослин.

Будова листка

Ця анімація представляє основні типи листків та показує відмінності між листками однодольних і дводольних рослин.

Екологічна ніша

Екологічна ніша - це абстрактний термін, що описує спосіб життя виду, і його роль у перенесенні енергії.

Кругообіг карбону

Карбон в результаті фотосинтезу вбудовується у структуру органічних сполук, а в процесі дихання виділяється.

Квітка

Анімація показує будову типової квітки.

АДФ, АТФ

АТФ є універсальним основним джерелом енергії в живих клітинах.

Сонце

Діаметр Сонця більший ніж діаметр Землі приблизно у 109 разів і більшу частину його маси складає водень.

Винищення лісів

Винищення лісів має негативний вплив на навколишнє середовище.

Амеба протей

Широко розповсюджений гетеротрофний одноклітинний організм, форма тіла якого постійно змінюється.

Поверхневий натяг

Поверхневий натяг - це властивість рідини, що примушує її приймати форму з найменш можливою площею поверхні.

Кисень (O₂) (середній рівень)

Оксиген - найпоширеніший елемент на Землі, необхідний для життя.

Порівняння однодольних і дводольних рослин

Покритонасінні рослини поділяються на два класи: Однодольні та Дводольні.

Евглена зелена

Ця одноклітинна водорість живе у прісних водоймах і залежно від умов середовища може живитися автотрофічно або гетеротрофічно.

Added to your cart.