Kus toimub taimedes fotosüntees? Fotosüntees toimub aastal. Fotosünteesi tume faas

1. Kas fotosüntees on plastiline või energia metabolism? Miks?

Fotosüntees viitab plastilise ainevahetuse protsessidele, sest kaasas:

● keerukate orgaaniliste ühendite sünteesil lihtsamatest ainetest, nimelt: anorgaanilistest ainetest (H 2 O ja CO 2) sünteesitakse glükoos (C 6 H 12 O 6);

● valgusenergia neeldumine.

2. Millistes taimeraku organellides toimub fotosüntees? Mis on fotosüsteem? Millist funktsiooni fotosüsteemid täidavad?

Fotosüntees toimub rohelistes plastiidides – kloroplastides.

Fotosüsteemid on spetsiaalsed pigmendi-valgu kompleksid, mis paiknevad kloroplasti tülakoidide membraanides. Fotosüsteeme on kahte tüüpi – fotosüsteem I ja fotosüsteem II. Igaüks neist sisaldab pigmendimolekulidest moodustatud valgust koguvat antenni, reaktsioonikeskust ja elektronikandjaid.

Valgust koguv antenn toimib nagu lehter: pigmendimolekulid neelavad valgust ja kannavad kogu kogutud energia reaktsioonikeskusesse, kus asub klorofüll a-ga esindatud lõksmolekul. Olles neelanud energiat, läheb lõksumolekul ergastatud olekusse ja annab ühe oma elektronidest spetsiaalsele kandjale, s.t. oksüdeerub. Seega täidavad fotosüsteemid valguse neelamise ja valgusenergia keemiliseks energiaks muutmise funktsiooni.

3. Mis tähtsus on fotosünteesil Maal? Miks oleks biosfääri olemasolu võimatu ilma fototroofsete organismideta?

Fotosüntees on ainus protsess planeedil, mille käigus Päikese valgusenergia muundub sünteesitud orgaaniliste ainete keemiliste sidemete energiaks. Sel juhul on orgaaniliste ainete sünteesi lähteühenditeks energiavaesed anorgaanilised ained - süsihappegaas ja vesi.

Fotosünteesi käigus tekkivad orgaanilised ühendid kanduvad toidu osana fototroofsetelt organismidelt rohusööjatele, seejärel lihasööjatele, olles energiaallikaks ja ehitusmaterjaliks teiste ainete sünteesiks, uute rakkude ja struktuuride moodustamiseks. Järelikult on tänu fototroofide aktiivsusele heterotroofsete organismide toitumisvajadused rahuldatud.

Lisaks on fotosüntees enamiku elusorganismide hingamiseks vajaliku molekulaarse hapniku allikas. Osoonikiht moodustub ja säilib hapnikust, kaitstes planeedi elusorganisme lühilainelise ultraviolettkiirguse kahjulike mõjude eest. Tänu fotosünteesile säilib atmosfääris suhteliselt konstantne CO 2 sisaldus.

4. Iseloomusta fotosünteesi heledat ja tumedat faasi vastavalt plaanile:

1) lekke asukoht; 2) lähtematerjalid; 3) käimasolevad protsessid; 4) lõpptooted.

Milliseid fotosünteesi valgusfaasi tooteid kasutatakse pimedas faasis?

Fotosünteesi valgusfaas.

1) Lekkekoht: tülakoidmembraanid.

2) Lähteained: H 2 O, oksüdeeritud NADP (NADP +), ADP, H 3 PO 4. Valgusfaasi tekkeks on vajalikud ka fotosünteetilised pigmendid (klorofüllid jne), kuid neid ei saa nimetada valgusfaasi algaineteks.

3) Esinevad protsessid: valguse neeldumine fotosüsteemide poolt, vee fotolüüs, elektronide transport tülakoidi väljapoole ja prootonite akumuleerumine tülakoidi sees (st elektrokeemilise potentsiaali ilmumine tülakoidi membraanile), ATP süntees, redutseerimine NADP +.

4) Lõppproduktid: ATP, redutseeritud NADP (NADP H+H +), kõrvalsaadus - molekulaarne hapnik (O 2).

Fotosünteesi tume faas.

1) Lekkekoht: kloroplasti strooma.

2) Algained: CO 2, ATP, redutseeritud NADP (NADP H+H +).

3) Käimasolevad protsessid: glükoosi süntees (CO 2 redutseerimine orgaanilisteks aineteks), mille käigus toimub ATP hüdrolüüs ja NADP H+H + oksüdatsioon.

4) Lõppsaadused: glükoos (C 6 H 12 O 6), oksüdeeritud NADP (NADP +), ADP, H 3 PO 4.

Fotosünteesi pimedas faasis kasutatakse kerge faasi tooteid, nagu NADP H+H + (toimib vesinikuaatomite allikana glükoosi sünteesiks) ja ATP (toimib glükoosi sünteesi energiaallikana).

5. Võrdle fotosünteesi ja aeroobset hingamist. Märkige sarnasused ja erinevused.

Sarnasused:

● Ensüümide osalusel toimuvad keerulised mitmeastmelised protsessid.

● Fotosüntees ja aeroobse hingamise viimane (hapniku)staadium toimub topeltmembraansetes organellides (vastavalt kloroplastides ja mitokondrites).

● Redoksprotsessid, millega kaasneb elektronide ülekanne mööda vastavate organellide sisemembraanide elektronide transpordiahelaid, potentsiaalsete erinevuste ilmnemine nendel membraanidel, ATP süntetaasi ja ATP sünteesi töö.

Erinevused:

● Fotosünteesi protsess viitab plastilisele ainevahetusele, sest sellega kaasneb orgaaniliste ainete süntees anorgaanilistest ja toimub valgusenergia neeldumisel. Aeroobse hingamise protsess viitab energia metabolismile, kuna komplekssed orgaanilised ained lagunevad ja neis sisalduv energia vabaneb.

● Fotosüntees toimub ainult fototroofsete organismide rakkudes ja aeroobne hingamine toimub enamiku elusorganismide (sh fototroofide) rakkudes.

● Erinevad lähtematerjalid ja lõpptooted. Kui võtta arvesse fotosünteesi ja aeroobse hingamise koondvõrrandeid, näeme, et fotosünteesi saadused on tegelikult aeroobse hingamise lähtematerjalid ja vastupidi.

● NAD ja FAD on vesinikuaatomite kandjad hingamisprotsessis ja NADP kandjad fotosünteesis.

Ja (või) muud olulised omadused.

6. Inimene tarbib ööpäevas ligikaudu 430 g hapnikku. Keskmise suurusega puu neelab aastas umbes 30 kg süsihappegaasi. Mitu puud on vaja ühe inimese hapnikuga varustamiseks?

● Aastas tarbib inimene: 430 g × 365 = 156 950 g hapnikku.

● Arvutame ühe puu poolt aastas neelduva süsinikdioksiidi keemilise koguse:

M (CO2) = 12 + 16 × 2 = 44 g/mol. n (CO2) = m: M = 30 000 g: 44 g/mol ≈ 681,8 mol.

● Fotosünteesi kokkuvõtlik võrrand:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

6 mooli süsinikdioksiidi imendumisega kaasneb 6 mooli hapniku vabanemine. See tähendab, et neelates aastas 681,8 mooli süsinikdioksiidi, eraldab puu 681,8 mooli hapnikku.

● Leiame puu poolt aastas vabaneva hapniku massi:

M (O2) = 16 × 2 = 32 g/mol. m (O 2) = n × M = 681,8 mol × 32 g/mol = 21 817,6 g

● Teeme kindlaks, mitu puud on vaja ühe inimese hapnikuga varustamiseks. Puude arv = 156 950 g: 21 817,6 ≈ 7,2 puud.

Vastus: Ühe inimese hapnikuga varustamiseks on vaja keskmiselt 7,2 puud (vastuvõetavad vastused on "8 puud" või "7 puud").

7. Teadlased jagasid nisutaimed kahte rühma ja kasvatasid neid laboris samadel tingimustel, välja arvatud see, et esimese rühma taimed valgustati punase ja teise rühma taimed rohelise valgusega. Millises taimerühmas toimus fotosüntees intensiivsemalt? Millega see seotud on?

Fotosüntees toimus punase valgusega valgustatud taimedes intensiivsemalt. See on tingitud asjaolust, et peamised fotosünteesi pigmendid - klorofüllid - neelavad intensiivselt punast valgust (nagu ka spektri sini-violetset osa) ja peegeldavad rohelist, mis määrab nende pigmentide rohelise värvi.

8*. Millise katsega saab tõestada, et fotosünteesi käigus eralduv hapnik tekib just veemolekulidest, mitte süsihappegaasi või mõne muu aine molekulidest?

Kui fotosünteesi läbiviimiseks kasutatakse radioaktiivse hapnikuga märgistatud vett (molekulid sisaldavad stabiilse nukliidi 16 O asemel hapniku radionukliidi), siis saab radioaktiivset märgist tuvastada vabanenud molekulaarses hapnikus. Kui kasutate fotosünteesiks mõnda muud hapniku radionukliide sisaldavat ainet, siis vabanev O2 ei sisalda radioaktiivset märgist. Eelkõige leidub neeldunud süsinikdioksiidi molekulides sisalduvat radioaktiivset hapnikku sünteesitud orgaanilistes ainetes, kuid mitte O 2 koostises.

*Tärniga märgitud ülesanded nõuavad õpilastelt erinevate hüpoteeside püstitamist. Seetõttu peaks õpetaja märkimisel keskenduma mitte ainult siin antud vastusele, vaid arvestama iga hüpoteesiga, hinnates õpilaste bioloogilist mõtlemist, nende arutlusloogikat, ideede originaalsust jne. Pärast seda on soovitav tutvustada õpilasi antud vastusega.

Fotosüntees on orgaaniliste ühendite süntees roheliste taimede lehtedes veest ja atmosfääri süsinikdioksiidist, kasutades kloroplastides klorofülli adsorbeeritud päikese (valgus)energiat.

Tänu fotosünteesile püütakse kinni nähtava valguse energia ja muudetakse see keemiliseks energiaks, mis salvestub (salvestub) fotosünteesi käigus tekkinud orgaanilistes ainetes.

Fotosünteesi protsessi avastamise kuupäevaks võib lugeda aastat 1771. Inglise teadlane J. Priestley juhtis tähelepanu loomade elutegevusest tingitud muutustele õhu koostises. Roheliste taimede juuresolekul muutus õhk taas sobivaks nii hingamiseks kui ka põlemiseks. Seejärel tegid mitmed teadlased (Y. Ingenhaus, J. Senebier, T. Saussure, J. B. Boussingault) kindlaks, et rohelised taimed neelavad õhust CO 2, millest moodustub orgaaniline aine vee osalusel valguses. . Just seda protsessi nimetas 1877. aastal saksa teadlane W. Pfeffer fotosünteesiks. R. Mayeri sõnastatud energia jäävuse seadus oli fotosünteesi olemuse paljastamisel väga oluline. 1845. aastal tegi R. Mayer ettepaneku, et taimede kasutatav energia on Päikese energia, mille taimed muudavad fotosünteesi käigus keemiliseks energiaks. See seisukoht töötati välja ja kinnitas eksperimentaalselt tähelepanuväärse vene teadlase K.A. Timirjasev.

Fotosünteetiliste organismide peamine roll:

1) päikesevalguse energia muundamine orgaaniliste ühendite keemiliste sidemete energiaks;

2) atmosfääri küllastumine hapnikuga;

Fotosünteesi tulemusena tekib Maal 150 miljardit tonni orgaanilist ainet ja vabaneb umbes 200 miljardit tonni vaba hapnikku aastas. See hoiab ära CO2 kontsentratsiooni tõusu atmosfääris, vältides Maa ülekuumenemist (kasvuhooneefekt).

Fotosünteesi käigus tekkiv atmosfäär kaitseb elusolendeid kahjuliku lühilainelise UV-kiirguse (atmosfääri hapniku-osooni kaitsekilp) eest.

Ainult 1-2% päikeseenergiast kandub põllukultuuride saagisse, kaod on tingitud valguse mittetäielikust neeldumisest. Seetõttu on suure fotosünteesi efektiivsusega sortide valiku ja valguse neeldumist soodustava põllukultuuri struktuuri loomise kaudu tohutu tootlikkuse tõstmise väljavaade. Sellega seoses muutub eriti aktuaalseks fotosünteesi kontrolli teoreetiliste aluste väljatöötamine.

Fotosünteesi tähtsus on hiiglaslik. Pangem vaid tähele, et see varustab kõigi elusolendite eksisteerimiseks vajalikku kütust (energiat) ja õhuhapnikku. Seetõttu on fotosünteesi roll planetaarne.

Fotosünteesi planetaarsuse määrab ka asjaolu, et tänu hapniku ja süsiniku ringlusele (peamiselt) säilib atmosfääri praegune koostis, mis omakorda määrab elu edasise säilimise Maal. Võime veel öelda, et fotosünteesi saadustesse salvestatud energia on sisuliselt praegune inimkonna peamine energiaallikas.

Fotosünteesi täielik reaktsioon

CO 2 +H 2 O = (CH 2 O) + O 2 .

Fotosünteesi keemiat kirjeldatakse järgmiste võrranditega:

Fotosüntees – 2 reaktsioonirühma:

kerge lava (sõltub valgustus)

tume lava (oleneb temperatuurist).

Mõlemad reaktsioonirühmad toimuvad samaaegselt

Fotosüntees toimub roheliste taimede kloroplastides.

Fotosüntees algab roheliste taimerakkude kloroplastides leiduva pigmendi klorofülli valguse püüdmise ja neelamisega.

See osutub piisavaks molekuli neeldumisspektri nihutamiseks.

Klorofülli molekul neelab footoneid spektri violetses ja sinises ning seejärel punases osas ning ei interakteeru spektri rohelise ja kollase osa footonitega.

Seetõttu näevad klorofüll ja taimed rohelised välja – nad lihtsalt ei saa rohelisi kiiri ära kasutada ja jätavad need mööda maailma ringi rändama (muutes seeläbi selle rohelisemaks).

Fotosünteetilised pigmendid asuvad tülakoidmembraani siseküljel.

Pigmendid on organiseeritud fotosüsteemid(antenniväljad valguse püüdmiseks) - sisaldab 250–400 erineva pigmendi molekuli.

Fotosüsteem koosneb:

reaktsioonikeskus fotosüsteemid (klorofülli molekul A),

antenni molekulid

Kõik fotosüsteemi pigmendid on võimelised ergastatud olekuenergiat üksteisele üle kandma. Ühe või teise pigmendimolekuli neeldunud footoni energia kandub üle naabermolekulile, kuni see jõuab reaktsioonikeskusesse. Kui reaktsioonikeskuse resonantssüsteem läheb ergastatud olekusse, kannab see aktseptormolekulile üle kaks ergastatud elektroni ning seeläbi oksüdeerub ja omandab positiivse laengu.

Taimedes:

fotosüsteem 1(maksimaalne valguse neeldumine lainepikkusel 700 nm – P700)

fotosüsteem 2(maksimaalne valguse neeldumine lainepikkusel 680 nm – P680

Erinevused neeldumisoptimis on tingitud väikestest erinevustest pigmendi struktuuris.

Need kaks süsteemi töötavad paralleelselt, nagu kaheosaline konveier mittetsükliline fotofosforüülimine .

Kokkuvõttev võrrand jaoks mittetsükliline fotofosforüülimine:

Ф - fosforhappe jäägi sümbol

Tsükkel algab fotosüsteemiga 2.

1) antenni molekulid püüavad kinni footoni ja edastavad ergastuse aktiivse tsentri molekulile P680;

2) ergastatud P680 molekul loovutab kaks elektroni kofaktorile Q, samal ajal kui see oksüdeerub ja omandab positiivse laengu;

Kofaktor(kofaktor). Koensüüm või mõni muu aine, mis on vajalik ensüümi funktsioonide täitmiseks

Koensüümid (koensüümid)[alates lat. co (cum) - koos ja ensüümid], mittevalgulise iseloomuga orgaanilised ühendid, mis osalevad ensümaatilises reaktsioonis üksikute aatomite või aatomirühmade aktseptoridena, mis on ensüümi poolt eraldatud substraadi molekulist, s.o. ensüümide katalüütilise toime läbiviimiseks. Need ained, erinevalt ensüümi valgukomponendist (apoensüüm), on suhteliselt väikese molekulmassiga ja reeglina termostabiilsed. Mõnikord tähendavad koensüümid mis tahes madalmolekulaarseid aineid, mille osalemine on vajalik ensüümi katalüütilise toime ilmnemiseks, sealhulgas näiteks ioone. K+, Mg2+ ja Mn2+. Ensüümid paiknevad. ensüümi aktiivses keskuses ning koos substraadi ja aktiivse keskuse funktsionaalrühmadega moodustavad aktiveeritud kompleksi.

Enamik ensüüme nõuab katalüütilise aktiivsuse avaldamiseks koensüümi olemasolu. Erandiks on hüdrolüütilised ensüümid (näiteks proteaasid, lipaasid, ribonukleaas), mis täidavad oma funktsiooni koensüümi puudumisel.

Molekuli redutseerib P680 (ensüümide toimel). Sel juhul dissotsieerub vesi prootoniteks ja molekulaarne hapnik, need. vesi on elektronidoonor, mis tagab P 680 elektronide täiendamise.

FOTOLÜÜS VESI- veemolekuli lõhenemine, eriti fotosünteesi käigus. Vee fotolüüsi tõttu tekib hapnik, mida rohelised taimed valguse käes eraldavad.

Fotosüntees- orgaaniliste ainete sünteesi protsess valgusenergia abil. Organisme, mis on võimelised sünteesima anorgaanilistest ühenditest orgaanilisi aineid, nimetatakse autotroofseteks. Fotosüntees on iseloomulik ainult autotroofsete organismide rakkudele. Heterotroofsed organismid ei ole võimelised sünteesima anorgaanilistest ühenditest orgaanilisi aineid.
Roheliste taimede ja mõnede bakterite rakkudel on erilised struktuurid ja kemikaalide kompleksid, mis võimaldavad neil päikesevalgusest energiat püüda.

Kloroplastide roll fotosünteesis

Taimerakud sisaldavad mikroskoopilisi moodustisi – kloroplaste. Need on organellid, milles energia ja valgus neelduvad ning muundatakse ATP ja teiste molekulide – energiakandjate – energiaks. Kloroplastide grana sisaldab klorofülli, keerulist orgaanilist ainet. Klorofüll püüab kinni valgusenergiat, mida kasutatakse glükoosi ja teiste orgaaniliste ainete biosünteesis. Kloroplastides asuvad ka glükoosi sünteesiks vajalikud ensüümid.

Fotosünteesi valgusfaas

Klorofülli neeldunud punase valguse kvant viib elektroni ergastatud olekusse. Valgusega ergastatud elektron omandab suure energiavaru, mille tulemusena liigub kõrgemale energiatasemele. Valgusega ergastatud elektroni võib võrrelda kõrgusele tõstetud kiviga, mis omandab ka potentsiaalse energia. Ta kaotab selle, kukkudes kõrgelt alla. Ergastatud elektron liigub justkui astmeliselt mööda kloroplasti sisse ehitatud keeruliste orgaaniliste ühendite ahelat. Ühelt astmelt teisele liikudes kaotab elektron energiat, mida kasutatakse ATP sünteesiks. Energiat raisanud elektron naaseb klorofülli. Uus osa valgusenergiast ergastab taas klorofülli elektroni. Ta järgib jälle sama rada, kulutades energiat ATP molekulide moodustamiseks.
Vesinikuioonid ja elektronid, mis on vajalikud energiat kandvate molekulide taastamiseks, tekivad veemolekulide lõhenemisel. Veemolekulide lagunemine kloroplastides toimub spetsiaalse valgu abil valguse mõjul. Seda protsessi nimetatakse vee fotolüüs.
Seega kasutab taimerakk päikesevalguse energiat otseselt:
1. klorofülli elektronide ergastamine, mille energiat kulutatakse edasi ATP ja teiste energiakandjate molekulide moodustamiseks;
2. vee fotolüüs, vesinikioonide ja elektronidega varustamine fotosünteesi valgusfaasi.
See vabastab fotolüüsireaktsioonide kõrvalsaadusena hapnikku. Etapp, mille käigus tekivad valguse energia mõjul energiarikkad ühendid - ATP ja energiat kandvad molekulid, helistas fotosünteesi kerge faas.

Fotosünteesi tume faas

Kloroplastid sisaldavad viie süsinikusisaldusega suhkruid, millest üks ribuloosdifosfaat, on süsinikdioksiidi aktseptor. Spetsiaalne ensüüm seob viiesüsinikulise suhkru õhus oleva süsihappegaasiga. Sel juhul tekivad ühendid, mis ATP ja teiste energiakandjate molekulide energiat kasutades redutseeritakse kuue süsinikusisaldusega glükoosimolekuliks. Seega kasutatakse valgusfaasis ATP ja teiste energiakandjate molekulide energiaks muundunud valgusenergiat glükoosi sünteesiks. Need protsessid võivad toimuda pimedas.
Taimerakkudest oli võimalik eraldada kloroplastid, mis katseklaasis valguse mõjul fotosünteesi läbi viisid - moodustasid uued glükoosimolekulid ja neelasid süsinikdioksiidi. Kui kloroplastide valgustamine peatati, peatus ka glükoosi süntees. Kui aga kloroplastidele lisati ATP-d ja redutseeritud energiakandja molekule, taastus glükoosi süntees ja see võis jätkuda pimedas. See tähendab, et valgust on tegelikult vaja ainult ATP sünteesimiseks ja energiat kandvate molekulide laadimiseks. Süsinikdioksiidi imendumine ja glükoosi moodustumine taimedes helistas fotosünteesi tume faas, kuna ta oskab pimedas kõndida.
Intensiivne valgustus ja suurenenud süsinikdioksiidi sisaldus õhus põhjustavad fotosünteesi aktiivsuse suurenemist.

Rakendatud fotosünteesi protsess taimede lehtedes. Fotosüntees on iseloomulik ainult rohelistele taimedele. Seda lehtede aktiivsuse kõige olulisemat aspekti iseloomustab kõige paremini K. A. Timirjazev:

Võib öelda, et lehe elu väljendab taime elu olemust. Kõik orgaanilised ained, olenemata sellest, kui mitmekesised nad on, kus iganes neid leidub – kas taimes, loomas või inimeses – läbisid lehe, mis pärinevad lehe poolt toodetud ainetest.

Taimede lehtede struktuur

Taime lehti Neid iseloomustab nende anatoomilise struktuuri suur mitmekesisus, mis sõltub nii taime tüübist kui ka nende kasvutingimustest. Leht on ülalt ja alt kaetud epidermisega – arvukate avadega kattekoega, mida nimetatakse stoomideks. Ülemise epidermise all on palisaad ehk sammasparenhüüm, mida nimetatakse assimilatsiooniks. Selle all on lahtisem kude – käsnjas parenhüüm, millele järgneb alumine epidermis. Kogu lehte läbib veenide võrk, mis koosneb juhtivatest kimpudest, millest läbivad vesi, mineraalid ja orgaanilised ained. Lehe ristlõige. Lehe sammas- ja käsnjas koes on rohelised plastiidid - pigmente sisaldavad kloroplastid. Kloroplastide ja neis sisalduvate roheliste pigmentide (klorofüllide) olemasolu selgitab taimede värvi. Tohutu lehepind, ulatudes 30 000–50 000 ruutmeetrini. m 1 hektari kohta erinevates taimedes, on hästi kohanenud fotosünteesi käigus õhust CO 2 edukaks neeldumiseks. Süsinikdioksiid tungib epidermises asuvate stoomide kaudu taimelehte, siseneb rakkudevahelistesse ruumidesse ja tungib läbi rakumembraani tsütoplasmasse ja seejärel kloroplastidesse, kus toimub assimilatsiooniprotsess. Selles protsessis tekkiv hapnik difundeerub kloroplastide pinnalt vabas olekus. Seega toimub stoomi kaudu gaasivahetus lehtede ja väliskeskkonna vahel - süsihappegaasi omastamine ja hapniku vabanemine fotosünteesi käigus, süsinikdioksiidi vabanemine ja hapniku imendumine hingamisel. Lisaks sellele eraldavad stomatid veeauru. Hoolimata asjaolust, et stomataalsete avade kogupindala moodustab ainult 1-2% kogu lehe pinnast, tungib süsihappegaas lehtedesse 50 korda suurema kiirusega, kui stomatid on avatud. . Stoomide arv on väga suur - mitmekümnest kuni 1500-ni 1 ruutmeetri kohta. mm.

Kloroplastid

Kloroplastid- rohelised plastiidid, milles toimub fotosünteesi protsess. Need asuvad tsütoplasmas. Kõrgematel taimedel on kloroplastid kettakujulised või läätsekujulised madalamatel taimedel mitmekesisemad.
Kloroplastid rohelistes taimerakkudes. Kloroplastide suurus kõrgemates taimedes on üsna konstantne, keskmiselt 1-10 mikronit. Tavaliselt sisaldab rakk suurel hulgal kloroplaste, keskmiselt 20-50 ja mõnikord rohkemgi. Need asuvad peamiselt lehtedes ja palju on neid ka valmimata viljades. Taimes on kloroplastide koguarv tohutu; täiskasvanud tamme puhul on nende pindala näiteks 2 hektarit. Kloroplastil on membraani struktuur. See on tsütoplasmast eraldatud topeltmembraanimembraaniga. Kloroplast sisaldab lamelle, proteiin-lipoidplaate, mis on kogutud kimpudesse ja mida nimetatakse granaks. Klorofüll paikneb lamellides monomolekulaarse kihina. Lamellide vahel on vesine valguvedelik - strooma; see sisaldab tärkliseterasid ja õlitilku. Kloroplasti struktuur on fotosünteesiks hästi kohanenud, kuna klorofülli kandva aparaadi jagamine väikesteks plaatideks suurendab oluliselt kloroplasti aktiivset pinda, mis hõlbustab energia juurdepääsu ja selle ülekandumist fotosünteesis osalevatele keemilistele süsteemidele. A. A. Tabentsky andmed näitavad, et kloroplastid muutuvad taimede ontogeneesi käigus kogu aeg. Noortel lehtedel täheldatakse kloroplastide peeneteralist struktuuri, kasvu lõpetanud lehtedel aga jämedateralist struktuuri. Vanades lehtedes on juba täheldatud kloroplastide lagunemist. Kloroplastide kuivaines on 20-45% valke, 20-40% lipoide, 10-12% süsivesikuid ja muid varuaineid, 10% mineraalelemente, 5-10% rohelisi pigmente (klorofülli). A ja klorofüll b), 1-2% karotenoide, samuti väikeses koguses RNA-d ja DNA-d. Veesisaldus ulatub 75% -ni. Kloroplastid sisaldavad suurt hulka hüdrolüütilisi ja redoksensüüme. N. M. Sissakyani uuringud on näidanud, et paljude ensüümide süntees toimub kloroplastides. Tänu sellele osalevad nad kogu taime eluprotsesside kompleksis.

Pigmendid, nende omadused ja tekketingimused

Pigmendid saab taimede lehtedest ekstraheerida alkoholi või atsetooniga. Ekstrakt sisaldab järgmisi pigmente: roheline - klorofüll A ja klorofüll b; kollane - karoteen ja ksantofüll (karotenoidid).

Klorofüll

Klorofüll esindab

üks huvitavamaid aineid maakera pinnal

(C. Darwin), kuna tänu sellele on võimalik orgaaniliste ainete süntees anorgaanilisest CO 2 -st ja H 2 O-st. selle keemilise koostise kindlakstegemiseks. Klorofülli ekstraheerimiseks kasutatakse tavaliselt etüülalkoholi või atsetooni. Klorofüllil on järgmised kokkuvõtlikud valemid: klorofüll A- C55H72O5N4Mg, klorofüll b- C55H70O6N4Mg. Klorofüllis A 2 rohkem vesinikuaatomit ja 1 hapnikuaatom vähem kui klorofüll b. Klorofülli valemeid saab esitada järgmiselt:
Klorofülli valemid A Ja b. Keskse koha klorofülli molekulis hõivab Mg; seda saab tõrjuda, töödeldes klorofülli alkoholiekstrakti vesinikkloriidhappega. Roheline pigment muutub pruuniks, mida nimetatakse feofütiiniks, milles Mg asendatakse vesinikkloriidhappest kahe H-aatomiga. Ekstrakti rohelist värvi on väga lihtne taastada, lisades feofütiini molekulile magneesiumi või mõnda muud metalli. Seetõttu seostatakse klorofülli rohelist värvi metalli olemasoluga selle koostises. Kui klorofülli alkoholiekstrakt puutub kokku leelisega, elimineeritakse alkoholirühmad (fütool ja metüülalkohol); sel juhul säilib klorofülli roheline värvus, mis näitab, et selle reaktsiooni käigus säilib klorofülli molekuli tuum. Klorofülli keemiline koostis on kõigil taimedel ühesugune. Klorofülli a sisaldus on alati suurem (umbes 3 korda) kui klorofüll b-s. Klorofülli üldkogus on väike ja moodustab umbes 1% lehe kuivainest. Klorofüll on oma keemilise olemuse poolest lähedane veres sisalduvale värvainele - hemoglobiinile, mille molekulis ei ole kesksel kohal magneesium, vaid raud. Vastavalt sellele erinevad ka nende füsioloogilised funktsioonid: klorofüll osaleb taime kõige olulisemas regeneratsiooniprotsessis - fotosünteesis ja hemoglobiin - loomsete organismide hingamisprotsessis, kandes hapnikku.

Pigmentide optilised omadused

Klorofüll neelab päikeseenergiat ja suunab selle keemilistele reaktsioonidele, mis ei saa toimuda ilma väljast saadava energiata. Klorofülli lahus läbiva valguse käes on roheline, kuid kihi paksuse või klorofülli kontsentratsiooni suurenedes muutub see punaseks. Klorofüll neelab valgust mitte täielikult, vaid valikuliselt. Kui valge valgus lastakse läbi prisma, tekitab see spektri, mis koosneb seitsmest nähtavast värvist, mis järk-järgult muutuvad üksteiseks. Valge valguse läbimisel läbi prisma ja klorofülli lahuse neeldub saadud spektris kõige intensiivsem punane ja sinakasvioletne kiir. Rohelised kiired neelduvad vähe, seetõttu on õhukese kihina klorofüll läbiva valguse käes rohelist värvi. Klorofülli kontsentratsiooni suurenedes aga neeldumisribad laienevad (neeldub ka märkimisväärne osa rohelistest kiirtest) ja ainult osa äärmuslikest punastest kiirtest läbib neeldumiseta. Klorofülli neeldumisspektrid A Ja b väga lähedal. Peegeldunud valguses näib klorofüll kirsipunane, kuna see kiirgab neeldunud valgust oma lainepikkuse muutumisega. Seda klorofülli omadust nimetatakse fluorestsentsiks.

Karoteen ja ksantofüll

Karoteen ja ksantofüll neil on neeldumisribad ainult sinistes ja violetsetes kiirtes. Nende spektrid on üksteise lähedal.
Klorofülli neeldumisspektrid A Ja b. Nende pigmentide neeldunud energia kantakse üle klorofüllile A, mis on otsene fotosünteesi osaline. Karoteeni peetakse A-provitamiiniks, kuna selle lagunemisel tekib 2 A-vitamiini molekuli. Karoteeni valem on C 40 H 56, ksantofüll on C 40 H 54 (OH) 2.

Klorofülli moodustumise tingimused

Klorofülli moodustumine viiakse läbi 2 faasis: esimene faas on tume, mille käigus tekib klorofülli eelkäija protoklorofüll ja teine ​​on valgus, mille käigus tekib valguses protoklorofüllist klorofüll. Klorofülli teke oleneb nii taime tüübist kui ka mitmetest välistingimustest. Mõned taimed, näiteks okaspuu seemikud, võivad roheliseks muutuda ka ilma valguseta, pimedas, kuid enamikul taimedel tekib klorofüll protoklorofüllist ainult valguse käes. Valguse puudumisel saadakse etioleeritud taimed, millel on õhuke, nõrk, väga piklik vars ja väga väikesed kahvatukollased lehed. Kui etioleeritud taimed puutuvad kokku valgusega, muutuvad lehed kiiresti roheliseks. Seda seletatakse asjaoluga, et lehed sisaldavad juba protoklorofülli, mis valguse mõjul muutub kergesti klorofülliks. Temperatuuril on suur mõju klorofülli tekkele; Külmal kevadel lähevad mõne põõsa lehed roheliseks alles soojade ilmade saabudes: temperatuuri langedes pärsitakse protoklorofülli teket. Minimaalne temperatuur, mille juures klorofülli teke algab, on 2°, maksimum, mille juures klorofülli teket ei toimu, on 40°. Klorofülli moodustamiseks on lisaks teatud temperatuurile vaja mineraalse toitumise elemente, eriti rauda. Selle puudumisel kogevad taimed haigust, mida nimetatakse kloroosiks. Ilmselt on raud protoklorofülli sünteesi katalüsaator, kuna see ei kuulu klorofülli molekuli. Klorofülli moodustamiseks on vaja ka lämmastikku ja magneesiumi, mis on selle molekuli osa. Oluline tingimus on roheliseks muutuvate plastiidide olemasolu leherakkudes. Nende puudumisel jäävad taime lehed valgeks, taim ei ole fotosünteesiks võimeline ja suudab elada vaid seni, kuni seemnevarud ära kasutab. Seda nähtust nimetatakse albinismiks. Seda seostatakse antud taime päriliku olemuse muutumisega.

Kvantitatiivsed seosed klorofülli ja assimileeritava süsihappegaasi vahel

Kõrgema sisuga klorofüll Taimes algab fotosünteesi protsess madalama valguse intensiivsusega ja isegi madalamal temperatuuril. Lehtede klorofülli sisalduse suurenemisega suureneb fotosüntees, kuid teatud piirini. Järelikult puudub otsene seos klorofülli sisalduse ja CO 2 neeldumise intensiivsuse vahel. Lehes sisalduva klorofülli ühiku kohta arvutatuna on lehe poolt tunnis omastatav CO 2 kogus seda suurem, mida vähem klorofülli. R. Willstetter ja A. Stohl pakkusid välja ühiku, mis iseloomustab seost klorofülli koguse ja neeldunud süsihappegaasi vahel. Nad nimetasid ajaühikus lagunenud süsinikdioksiidi kogust klorofülli massiühiku kohta assimilatsiooninumber. Assimilatsiooniarv ei ole konstantne: see on kõrgem, kui klorofülli sisaldus on madal, ja madalam, kui selle sisaldus lehtedes on kõrge. Järelikult kasutatakse klorofülli molekuli produktiivsemalt, kui selle sisaldus lehes on madal ja klorofülli produktiivsus väheneb selle koguse suurenedes. Andmed sisestatakse tabelisse.

Tabel Assimilatsiooniarv sõltuvalt klorofülli sisaldusest (R. Willstetteri ja A. Stohli järgi)

Taimed	kell 10 lehed (mg)	Assimilatsiooninumber
roheline rass kollane rass	16,2 1,2	6,9 82,0
Lilla	16,2	5,8
Etioleeritud ubade idandid pärast süütamist: 6 tundi 4 päeva

Avaldatud tabel näitab, et klorofülli sisalduse ja neeldunud CO 2 koguse vahel puudub otsene seos. Taimedes leidub klorofülli alati liiga palju ja ilmselgelt ei osale kõik fotosünteesis. Seda seletatakse asjaoluga, et fotosünteesi ajal on koos klorofülli osalusel läbiviidavate fotokeemiliste protsessidega ka puhtalt keemilised protsessid, mis ei vaja valgust. Taimede tumedad reaktsioonid kulgevad palju aeglasemalt kui valgusreaktsioonid. Valgusreaktsiooni kiirus on 0,00001 sekundit, pimeduse reaktsiooni kiirus on 0,04 sekundit. Fotosünteesi protsessis esinevad tumedad reaktsioonid avastas esmakordselt F. Blackman. Ta leidis, et tume reaktsioon sõltub temperatuurist ja selle tõustes suureneb tumedate protsesside kiirus. Valgusreaktsioonide kestus on tühine, seetõttu määrab fotosünteesi kiiruse peamiselt pimedate protsesside kestus. Mõnikord toimub fotosünteesiks soodsates tingimustes (piisav klorofüll ja valgus) see aeglaselt. Seda seletatakse asjaoluga, et fotokeemiliste reaktsioonide käigus tekkivatel saadustel ei ole pimedate reaktsioonide ajal aega töödelda. Väike kogus klorofülli võimaldab kõiki fotokeemilises reaktsioonis tekkivaid saadusi pimedas reaktsiooni käigus kiiresti ja täielikult töödelda.

Fotosüntees on orgaaniliste ainete sünteesimine anorgaanilistest, kasutades valgusenergiat. Enamikul juhtudel viivad fotosünteesi läbi taimed, kasutades rakulisi organelle nagu kloroplastid sisaldab rohelist pigmenti klorofüll.

Kui taimed ei oleks võimelised orgaanilist ainet sünteesima, poleks peaaegu kõigil teistel Maa organismidel midagi süüa, kuna loomad, seened ja paljud bakterid ei suuda anorgaanilistest orgaanilisi aineid sünteesida. Nad neelavad ainult valmis, jagavad need lihtsamateks, millest jälle kokku panevad keerulised, kuid juba oma kehale iseloomulikud.

Seda juhul, kui rääkida fotosünteesist ja selle rollist väga lühidalt. Fotosünteesi mõistmiseks peame rohkem rääkima: milliseid konkreetseid anorgaanilisi aineid kasutatakse, kuidas süntees toimub?

Fotosünteesiks on vaja kahte anorgaanilist ainet – süsihappegaasi (CO 2) ja vett (H 2 O). Esimene imendub õhust taimede maapealsetesse osadesse peamiselt stoomide kaudu. Vesi tuleb pinnasest, kust see taime juhtiva süsteemi abil fotosünteetilistesse rakkudesse toimetatakse. Samuti vajab fotosüntees footonite energiat (hν), kuid neid ei saa seostada ainega.

Kokku tekib fotosünteesi käigus orgaaniline aine ja hapnik (O2). Tavaliselt tähendab orgaaniline aine kõige sagedamini glükoosi (C 6 H 12 O 6).

Orgaanilised ühendid koosnevad enamasti süsiniku, vesiniku ja hapniku aatomitest. Neid leidub süsinikdioksiidis ja vees. Fotosünteesi käigus eraldub aga hapnik. Selle aatomid on võetud veest.

Lühidalt ja üldiselt kirjutatakse fotosünteesi reaktsiooni võrrand tavaliselt järgmiselt:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

Kuid see võrrand ei peegelda fotosünteesi olemust ega muuda seda arusaadavaks. Vaata, kuigi võrrand on tasakaalus, on selles aatomite koguarv vabas hapnikus 12. Aga me ütlesime, et need pärinevad veest ja neid on ainult 6.

Tegelikult toimub fotosüntees kahes faasis. Esimest nimetatakse valgus, teine ​​- tume. Sellised nimetused on tingitud sellest, et valgust on vaja ainult heleda faasi jaoks, tume faas on selle olemasolust sõltumatu, kuid see ei tähenda, et see tekiks pimedas. Hele faas esineb kloroplasti tülakoidide membraanidel ja tume faas kloroplasti stroomas.

Valgusfaasis CO 2 sidumist ei toimu. Kõik, mis toimub, on päikeseenergia püüdmine klorofüllikomplekside abil, selle salvestamine ATP-s ja energia kasutamine NADP redutseerimiseks NADP*H 2 -ks. Valgusergastatud klorofülli energiavoogu tagavad elektronid, mis edastatakse mööda tülakoidmembraanidesse ehitatud ensüümide elektronide transpordiahelat.

NADP jaoks mõeldud vesinik pärineb veest, mis päikesevalguse toimel laguneb hapnikuaatomiteks, vesiniku prootoniteks ja elektronideks. Seda protsessi nimetatakse fotolüüs. Fotosünteesiks pole veest saadavat hapnikku vaja. Kahe veemolekuli hapnikuaatomid ühinevad, moodustades molekulaarse hapniku. Fotosünteesi valgusfaasi reaktsioonivõrrand näeb lühidalt välja järgmine:

H 2 O + (ADP+P) + NADP → ATP + NADP*H 2 + ½O 2

Seega toimub hapniku vabanemine fotosünteesi valgusfaasis. ADP-st ja fosforhappest sünteesitavate ATP molekulide arv ühe veemolekuli fotolüüsi kohta võib olla erinev: üks või kaks.

Niisiis tulevad ATP ja NADP*H2 heledast faasist tumedasse faasi. Siin kulub esimese energia ja teise redutseeriv jõud süsihappegaasi sidumisele. Seda fotosünteesi etappi ei saa lihtsalt ja lühidalt seletada, sest see ei kulge nii, et kuus CO 2 molekuli ühinevad NADP*H 2 molekulidest vabaneva vesinikuga, moodustades glükoosi:

6CO2 + 6NADP*H2 →C6H12O6 + 6NADP
(reaktsioon toimub energia kulutamisel ATP-ks, mis laguneb ADP-ks ja fosforhappeks).

Antud reaktsioon on lihtsalt lihtsustus, et seda oleks lihtsam mõista. Tegelikult seovad süsinikdioksiidi molekulid ükshaaval, liitudes juba ettevalmistatud viiesüsinikuga orgaanilise ainega. Tekib ebastabiilne kuue süsinikuga orgaaniline aine, mis laguneb kolme süsinikusisaldusega süsivesikute molekulideks. Mõnda neist molekulidest kasutatakse algse viiest süsinikust koosneva aine taassünteesimiseks, et siduda CO 2 . See taassüntees on tagatud Calvini tsükkel. Tsüklist väljub väike osa kolme süsinikuaatomit sisaldavatest süsivesikute molekulidest. Kõik muud orgaanilised ained (süsivesikud, rasvad, valgud) sünteesitakse neist ja teistest ainetest.

See tähendab, et fotosünteesi pimedas faasis tulevad välja kolme süsinikusisaldusega suhkrud, mitte glükoos.