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:
- Пігменти фотосистеми І починають «вбирати» фотони сонячної енергії, які передаються на реакційний центр.
- Під дією фотонів світла відбувається збудження» електронів у молекулі пігменту (хлорофілу).
- «Збуджений» електрон з допомогою транспортних білків переноситься на зовнішню мембрану тилакоида.
- 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:
- Карбоксилирование.
- Відновлення.
- 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