У природі під впливом сонячного світла протікає життєво важливий процес, без якого не може обійтися жодна жива істота на планеті Земля. В результаті реакції в повітря виділяється кисень, яким ми дихаємо. Цей процес отримала назву фотосинтезу. Що таке фотосинтез з наукової точки зору, і що відбувається у хлоропластах клітин рослин розглянемо нижче.

Основа життя на землі

Фотосинтез у біології – це перетворення органічних речовин і кисню з неорганічних сполук під впливом сонячної енергії. Він характерний для всіх фотоавтотрофов, які здатні самі виробляти органічні сполуки.

До таких організмів належать рослини, зелені, пурпурні бактерії, ціанобактерії (синьо-зелені водорості).

Рослини — фотоавтотрофы вбирають з грунту воду, а з повітря вуглекислий газ. Під впливом енергії Сонця утворюється глюкоза, яка згодом перетворюється на полісахарид – крохмаль, необхідний рослинним організмам для харчування, утворення енергії. В навколишнє середовище виділяється кисень – важлива речовина, що використовується всіма живими організмами для дихання.

Як відбувається фотосинтез. Хімічну реакцію можна зобразити за допомогою наступного рівняння:

6СО2 + 6Н 2 О + Е = С6Н12О6 + 6О2

Фотосинтетические реакції відбуваються в рослинах на клітинному рівні, а саме – в хлоропластах, що містять основний пігмент хлорофіл. Це з’єднання не тільки надає рослинам зелене забарвлення, а й бере активну участь у самому процесі.

Щоб краще розібратися в процесі, потрібно ознайомитися з будовою зелених органел — хлоропластів.

Будова хлоропластів

Хлоропласти – це всіх органел клітини, які містяться тільки в організмах рослин, ціанобактерій. Кожний хлоропласт покритий подвійною мембраною: зовнішньої і внутрішньої. Внутрішню частину хлоропласта заповнює строма – основна речовина, по консистенції нагадує цитоплазму клітини.

Будова хролопласта

Строма хлоропласта складається з:

• тилакоидов – структур, які нагадують плоскі мішечки, що містять пігмент хлорофіл;
• гран – групи тилакоидов;
• ламел – канальців, які з’єднують між собою грани тилакоидов.

Кожна грана має вигляд стопки з монетами, де кожна монетка – це тилакоид, а ламела – полиця, на якій викладені грани. Крім цього хлоропласти мають власну генетичну інформацію, представлену двуспиральными нитками ДНК, а також рибосоми, які беруть участь у синтезі білка, краплі олії, зерна крохмалю.

Корисне відео: фотосинтез

Основні фази

Фотосинтез має дві чергуються фази: світлову і темновую. Кожна має свої особливості протікання і продукти, що утворюються при певних реакціях. Дві фотосистеми, утворені з допоміжних светособирающих пігментів хлорофілу і каротиноїду, передають енергію головному пігменту. В результаті відбувається перетворення світлової енергії в хімічну – АТФ (аденозинтрифосфорную кислоту). Що ж відбувається в процесах фотосинтезу.

Світлова

Світлова фаза відбувається при попаданні фотонів світла на рослину. У хлоропласте вона протікає на мембранах тилакоидов.

Основні процеси:

1. Пігменти фотосистеми І починають «вбирати» фотони сонячної енергії, які передаються на реакційний центр.
2. Під дією фотонів світла відбувається збудження» електронів у молекулі пігменту (хлорофілу).
3. «Збуджений» електрон з допомогою транспортних білків переноситься на зовнішню мембрану тилакоида.
4. Цей же електрон взаємодіє зі складним з’єднанням НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), відновлюючи його до НАДФ*Н2 (це з’єднання бере участь при темнової фази).

Подібні процеси відбуваються й у фотосистемі II. «Порушені» електрони залишають реакційний центр і переносяться на зовнішню мембрану тилакоидов, де зв’язуються з акцептором електронів, повертаються на фотосистему і і відновлюють її.

Світлова фаза фотосинтезу

А як же відновлюється фотосистема II? Це відбувається за рахунок фотолиза води – реакції розщеплення Н2О. Спочатку молекула води віддає електрони реакційного центру фотосистеми ІІ, завдяки чому відбувається його відновлення. Після цього відбувається повне розщеплення води на водень і кисень. Останній через продихи епідермісу листка проникає в навколишнє середовище.

Зобразити фотоліз води можна за допомогою рівняння:

2Н2О = 4Н + 4е + О2

Крім цього, при світловій фазі відбувається синтез молекул АТФ – хімічної енергії, яка йде на утворення глюкози. В оболонці тилакоидов міститься ферментативна система, що приймає участь в утворенні АТФ. Цей процес відбувається в результаті того, що іон водню переноситься через канал спеціального ферменту з внутрішньої оболонки на зовнішню. Після чого вивільняється енергія.

Важливо знати! При світловій фазі фотосинтезу утворюється кисень, а також енергія АТФ, яка використовується для синтезу моносахаридів в темнової фази.

Темнова

Реакції темнової фази протікають цілодобово, навіть без наявності сонячного світла. Фотосинтетические реакції відбуваються в стромі (внутрішнє середовище) хлоропласта. Більш детально даний предмет вивчав Мелвін Калвін, в честь якого реакції темнової фази носять назву цикл Кальвіна, або С3 — шлях.

Цей цикл протікає в 3 етапи:

1. Карбоксилирование.
2. Відновлення.
3. Регенерація акцепторів.

При карбоксилировании речовина під назвою рибулозобисфосфат з’єднується з частинками вуглекислого газу. Для цього використовується спеціальний фермент – карбоксилаза. Утворюється нестійка шестиуглеродное з’єднання, яке практично відразу ж розщеплюється на 2 молекули ФГК (фосфоглицериновой кислоти).

Для відновлення ФГК використовується енергія АТФ і НАДФ*Н2, утворених при світловій фазі. При послідовних реакціях утворюється триуглеродный цукор з фосфатною групою.

Під час регенерації акцепторів частина молекул ФГК використовується для відновлення молекул рибулозобисфосфата, який є акцептором СО2. Далі при послідовних реакціях утворюється моносахарид – глюкоза. Для всіх цих процесів використовується енергія АТФ, утворена у світловій фазі, а також НАДФ*Н2.

Процеси перетворення 6 молекул вуглекислоти в 1 молекулу глюкози вимагають розщеплення 18 молекул АТФ і 12 молекул НАДФ*Н2. Зобразити ці процеси можна за допомогою наступного рівняння:

6СО2 + 24Н = С6Н12О6 + 6Н 2 О

Згодом з освіченої глюкози синтезуються більш складні вуглеводи – полісахариди: крохмаль, целюлоза.

Зверніть увагу! При фотосинтезі темнової фази утворюється глюкоза – органічна речовина, необхідне для живлення рослини, утворення енергії.

Наведена нижче таблиця фотосинтезу, допоможе краще засвоїти основну суть цього процесу.

Порівняльна таблиця фаз фотосинтезу

Особливості протікання	Світлова фаза	Темнова фаза
Час протікання	Вдень, при наявності світла	Цілодобово
Місце локалізації	Мембрана тилакоидов	Строма – внутрішнє середовище хлоропласта
Реакції фотосинтезу	Фотоліз води. Відновлення НАДФ до НАДФ*Н2.	Карбоксилирование рибулозобисфосфата. Відновлення. Регенерація.
Продукти фотосинтезу	О2 (кисень), АТФ (енергія), НАДФ*Н2	Моносахарид – глюкоза

Хоча цикл Кальвіна є найбільш характерним для темнової фази фотосинтезу, проте для деяких тропічних рослин характерний цикл Хетча-Слека (С4-шлях), який має свої особливості протікання. Під час карбоксилювання в цикл Хетча-Слека утворюється не фосфоглицериновая кислота, а інші, такі як: щавелевоуксусная, яблучна, аспарагінова. Також при цих реакціях вуглекислий газ накопичується в клітинах рослин, а не виводиться при газообміні, як у більшості.

Згодом цей газ бере участь при фотосинтетичних реакціях і утворення глюкози. Також варто відзначити, що С4-шлях фотосинтезу вимагає великих витрат енергії, ніж цикл Кальвіна. Основні реакції, продукти освіти в цикл Хетча-Слека не відрізняються від циклу Кальвіна.

Завдяки реакцій циклу Хетча-Слека у рослин практично не відбувається фотодихання, так як продихи епідермісу знаходяться в закритому стані. Це дозволяє їм пристосуватися до специфічних умов існування:

• сильної спеки;
• сухого клімату;
• підвищеної засоленості місць існування;
• нестачі СО2.

Порівняння світлової та темнової фаз

Значення в природі

Завдяки фотосинтезу відбувається утворення кисню – життєво важливого речовини для процесів дихання і накопичення всередині клітин енергії, яка дає змогу живим організмам рости, розвиватися, розмножуватися, бере безпосередню участь у роботі всіх фізіологічних систем організму людини, тварин.

Важливо! З кисню в атмосфері утворюється озоновий шар, який захищає організми від згубного впливу небезпечного ультрафіолетового опромінення.

Корисне відео: підготовка до ЄДІ з Біології — фотосинтез

Висновок

Завдяки вмінню синтезувати кисень і енергію рослини формують перша ланка у всіх харчових ланцюгах, будучи продуцентами. Споживаючи зелені рослини, всі гетеротрофи (тварини, люди) разом з їжею отримують життєво важливі ресурси. Завдяки процесу, що протікає в зелених рослинах і цианобактериях, підтримується постійний газовий склад атмосфери і життя на землі.