Di manakah tempat berlangsungnya fotosintesis pada tumbuhan? Fotosintesis terjadi di. Fase gelap fotosintesis

1. Apakah fotosintesis merupakan proses metabolisme plastik atau energi? Mengapa?

Fotosintesis mengacu pada proses metabolisme plastik karena disertai dengan:

● melalui sintesis senyawa organik kompleks dari zat yang lebih sederhana, yaitu: glukosa (C 6 H 12 O 6) disintesis dari zat anorganik (H 2 O dan CO 2);

● penyerapan energi cahaya.

2. Di organel sel tumbuhan manakah fotosintesis terjadi? Apa itu fotosistem? Apa fungsi yang dilakukan fotosistem?

Fotosintesis terjadi pada plastida hijau - kloroplas.

Fotosistem adalah kompleks pigmen-protein khusus yang terletak di membran tilakoid kloroplas. Ada dua jenis fotosistem – fotosistem I dan fotosistem II. Masing-masing mencakup antena pemanen cahaya yang dibentuk oleh molekul pigmen, pusat reaksi, dan pembawa elektron.

Antena pemanen cahaya berfungsi seperti corong: molekul pigmen menyerap cahaya dan mentransfer semua energi yang dikumpulkan ke pusat reaksi, tempat molekul perangkap yang diwakili oleh klorofil a berada. Setelah menyerap energi, molekul perangkap masuk ke keadaan tereksitasi dan menyumbangkan salah satu elektronnya ke pembawa khusus, yaitu. teroksidasi. Dengan demikian, fotosistem menjalankan fungsi menyerap cahaya dan mengubah energi cahaya menjadi energi kimia.

3. Apa pentingnya fotosintesis di bumi? Mengapa keberadaan biosfer tidak mungkin terjadi tanpa organisme fototrofik?

Fotosintesis adalah satu-satunya proses di planet ini di mana energi cahaya Matahari diubah menjadi energi ikatan kimia zat organik yang disintesis. Dalam hal ini, senyawa awal untuk sintesis zat organik adalah zat anorganik yang miskin energi - karbon dioksida dan air.

Senyawa organik yang terbentuk selama fotosintesis ditransfer sebagai bagian dari makanan dari organisme fototrofik ke herbivora, kemudian ke karnivora, menjadi sumber energi dan bahan pembangun untuk sintesis zat lain, untuk pembentukan sel dan struktur baru. Akibatnya, berkat aktivitas fototrof, kebutuhan nutrisi organisme heterotrofik terpenuhi.

Selain itu, fotosintesis merupakan sumber oksigen molekuler yang diperlukan untuk respirasi sebagian besar organisme hidup. Lapisan ozon terbentuk dan dipelihara dari oksigen, melindungi organisme hidup di planet ini dari efek berbahaya radiasi ultraviolet gelombang pendek. Berkat fotosintesis, kandungan CO 2 yang relatif konstan di atmosfer tetap terjaga.

4. Ciri-ciri fase terang dan gelap fotosintesis menurut rencana:

1) lokasi kebocoran; 2) bahan awal; 3) proses yang sedang berlangsung; 4) produk akhir.

Produk fotosintesis fase terang apa yang digunakan dalam fase gelap?

Fase terang fotosintesis.

1) Tempat kebocoran : membran tilakoid.

2) Zat awal : H 2 O, NADP teroksidasi (NADP +), ADP, H 3 PO 4. Pigmen fotosintetik (klorofil, dll.) juga diperlukan agar fase cahaya dapat terjadi, tetapi pigmen tersebut tidak dapat disebut sebagai zat awal fase cahaya.

3) Proses yang terjadi: penyerapan cahaya oleh fotosistem, fotolisis air, pengangkutan elektron ke luar tilakoid dan akumulasi proton di dalam tilakoid (yaitu munculnya potensial elektrokimia pada membran tilakoid), sintesis ATP, reduksi dari NADP +.

4) Produk akhir: ATP, NADP tereduksi (NADP H+H +), produk sampingan - oksigen molekuler (O 2).

Fase gelap fotosintesis.

1) Tempat kebocoran : stroma kloroplas.

2) Zat awal: CO 2, ATP, NADP tereduksi (NADP H+H+).

3) Proses yang sedang berlangsung: sintesis glukosa (reduksi CO 2 menjadi zat organik), di mana terjadi hidrolisis ATP dan oksidasi NADP H+H+.

4) Produk akhir: glukosa (C 6 H 12 O 6), NADP teroksidasi (NADP +), ADP, H 3 PO 4.

Dalam fotosintesis fase gelap, produk fase terang seperti NADP H+H+ (berfungsi sebagai sumber atom hidrogen untuk sintesis glukosa) dan ATP (berfungsi sebagai sumber energi untuk sintesis glukosa) digunakan.

5. Bandingkan fotosintesis dan respirasi aerobik. Tunjukkan persamaan dan perbedaannya.

Kesamaan:

● Proses multi-tahap kompleks yang terjadi dengan partisipasi enzim.

● Fotosintesis dan tahap akhir (oksigen) dari respirasi aerobik terjadi pada organel bermembran ganda (masing-masing kloroplas dan mitokondria).

● Proses redoks, yang disertai dengan transfer elektron sepanjang rantai transpor elektron pada membran internal organel yang bersangkutan, munculnya perbedaan potensial pada membran ini, kerja ATP sintetase dan sintesis ATP.

Perbedaan:

● Proses fotosintesis mengacu pada metabolisme plastik karena disertai dengan sintesis zat organik dari zat anorganik dan terjadi dengan penyerapan energi cahaya. Proses respirasi aerobik mengacu pada metabolisme energi, karena zat organik kompleks dipecah dan energi yang terkandung di dalamnya dilepaskan.

● Fotosintesis hanya terjadi pada sel organisme fototrofik, dan respirasi aerobik terjadi pada sel sebagian besar organisme hidup (termasuk fototrof).

● Berbagai bahan awal dan produk akhir. Jika kita memperhatikan ringkasan persamaan fotosintesis dan respirasi aerobik, kita dapat melihat bahwa produk fotosintesis sebenarnya merupakan bahan awal untuk respirasi aerobik dan sebaliknya.

● NAD dan FAD berfungsi sebagai pembawa atom hidrogen dalam proses respirasi, dan NADP dalam fotosintesis.

Dan (atau) fitur penting lainnya.

6. Seseorang mengkonsumsi sekitar 430 g oksigen per hari. Sebuah pohon berukuran rata-rata menyerap sekitar 30 kg karbon dioksida per tahun. Berapa banyak pohon yang dibutuhkan untuk menyediakan oksigen bagi satu orang?

● Dalam setahun, seseorang mengonsumsi: 430 g × 365 = 156.950 g oksigen.

● Mari kita hitung jumlah kimia karbon dioksida yang diserap per tahun oleh satu pohon:

M (CO 2) = 12 + 16 × 2 = 44 g/mol. n (CO 2) = m: M = 30.000 g: 44 g/mol ≈ 681,8 mol.

● Ringkasan persamaan fotosintesis:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Penyerapan 6 mol karbon dioksida disertai dengan pelepasan 6 mol oksigen. Artinya, dengan menyerap 681,8 mol karbon dioksida per tahun, pohon melepaskan 681,8 mol oksigen.

● Carilah massa oksigen yang dilepaskan oleh pohon per tahun:

M (O 2) = 16 × 2 = 32 g/mol. m (O 2) = n × M = 681,8 mol × 32 g/mol = 21.817,6 g

● Mari kita tentukan berapa banyak pohon yang dibutuhkan untuk menyediakan oksigen bagi satu orang. Jumlah pohon = 156.950 g: 21.817,6 ≈ 7,2 pohon.

Jawaban: Untuk menyediakan oksigen bagi satu orang, rata-rata dibutuhkan 7,2 pohon (jawaban yang dapat diterima adalah “8 pohon” atau “7 pohon”).

7. Peneliti membagi tanaman gandum menjadi dua kelompok dan menanamnya di laboratorium dengan kondisi yang sama, hanya saja tanaman kelompok pertama disinari lampu merah, dan tanaman kelompok kedua disinari lampu hijau. Pada kelompok tumbuhan manakah fotosintesis berlangsung lebih intensif? Apa hubungannya ini?

Fotosintesis berlangsung lebih intensif pada tanaman yang disinari lampu merah. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa pigmen fotosintesis utama - klorofil - secara intensif menyerap cahaya merah (serta bagian spektrum biru-ungu), dan memantulkan warna hijau, yang menentukan warna hijau dari pigmen-pigmen ini.

8*. Eksperimen apa yang dapat membuktikan bahwa oksigen yang dilepaskan selama fotosintesis justru terbentuk dari molekul air, dan bukan dari molekul karbon dioksida atau zat lainnya?

Jika air berlabel oksigen radioaktif digunakan untuk melakukan fotosintesis (molekulnya mengandung radionuklida oksigen, bukan nuklida stabil 16 O), maka label radioaktif dapat dideteksi pada molekul oksigen yang dilepaskan. Jika Anda menggunakan zat lain yang mengandung radionuklida oksigen untuk fotosintesis, maka O2 yang dilepaskan tidak akan mengandung label radioaktif. Secara khusus, oksigen radioaktif yang terkandung dalam molekul karbon dioksida yang diserap akan ditemukan dalam zat organik yang disintesis, tetapi tidak pada komposisi O2.

*Tugas yang ditandai dengan tanda bintang mengharuskan siswa untuk mengajukan berbagai hipotesis. Oleh karena itu, ketika menilai, guru hendaknya tidak hanya fokus pada jawaban yang diberikan di sini, tetapi juga mempertimbangkan setiap hipotesis, menilai pemikiran biologis siswa, logika penalaran mereka, orisinalitas ide, dll. untuk membiasakan siswa dengan jawaban yang diberikan.

Fotosintesis adalah sintesis senyawa organik pada daun tumbuhan hijau dari air dan karbon dioksida atmosfer menggunakan energi matahari (cahaya) yang diserap oleh klorofil dalam kloroplas.

Berkat fotosintesis, energi cahaya tampak ditangkap dan diubah menjadi energi kimia, yang disimpan (disimpan) dalam zat organik yang terbentuk selama fotosintesis.

Tanggal penemuan proses fotosintesis dapat dianggap tahun 1771. Ilmuwan Inggris J. Priestley menarik perhatian pada perubahan komposisi udara akibat aktivitas vital hewan. Dengan adanya tumbuhan hijau, udara kembali menjadi cocok untuk pernafasan dan pembakaran. Selanjutnya, karya sejumlah ilmuwan (Y. Ingenhaus, J. Senebier, T. Saussure, J.B. Boussingault) menemukan bahwa tumbuhan hijau menyerap CO 2 dari udara, dari mana bahan organik terbentuk dengan partisipasi air dalam cahaya. . Proses inilah yang pada tahun 1877 ilmuwan Jerman W. Pfeffer menyebut fotosintesis. Hukum kekekalan energi yang dirumuskan oleh R. Mayer sangat penting untuk mengungkap esensi fotosintesis. Pada tahun 1845, R. Mayer mengusulkan bahwa energi yang digunakan tumbuhan adalah energi Matahari, yang diubah tumbuhan menjadi energi kimia melalui proses fotosintesis. Posisi ini dikembangkan dan dikonfirmasi secara eksperimental dalam penelitian ilmuwan luar biasa Rusia K.A. Timiryazev.

Peran utama organisme fotosintetik:

1) transformasi energi sinar matahari menjadi energi ikatan kimia senyawa organik;

2) kejenuhan atmosfer dengan oksigen;

Sebagai hasil fotosintesis, 150 miliar ton bahan organik terbentuk di Bumi dan sekitar 200 miliar ton oksigen bebas dilepaskan setiap tahunnya. Mencegah peningkatan konsentrasi CO2 di atmosfer, mencegah pemanasan berlebih di bumi (efek rumah kaca).

Atmosfer yang diciptakan oleh fotosintesis melindungi makhluk hidup dari radiasi UV gelombang pendek yang berbahaya (pelindung oksigen-ozon di atmosfer).

Hanya 1-2% energi matahari yang ditransfer ke hasil panen tanaman pertanian; kerugian tersebut disebabkan oleh penyerapan cahaya yang tidak sempurna. Oleh karena itu, terdapat prospek besar untuk meningkatkan produktivitas melalui pemilihan varietas dengan efisiensi fotosintesis tinggi dan penciptaan struktur tanaman yang mendukung penyerapan cahaya. Dalam hal ini, pengembangan landasan teoritis untuk mengendalikan fotosintesis menjadi sangat relevan.

Pentingnya fotosintesis sangat besar. Mari kita perhatikan saja bahwa ia memasok bahan bakar (energi) dan oksigen atmosfer yang diperlukan untuk keberadaan semua makhluk hidup. Oleh karena itu, peran fotosintesis bersifat planet.

Keplanetan fotosintesis juga ditentukan oleh fakta bahwa berkat siklus oksigen dan karbon (terutama) komposisi atmosfer saat ini dipertahankan, yang pada gilirannya menentukan kelangsungan kehidupan lebih lanjut di Bumi. Lebih lanjut dapat dikatakan bahwa energi yang tersimpan dalam produk fotosintesis pada dasarnya adalah sumber energi utama yang dimiliki umat manusia saat ini.

Reaksi total fotosintesis

BERSAMA 2 +H 2 HAI = (CH 2 HAI) + HAI 2 .

Kimia fotosintesis dijelaskan dengan persamaan berikut:

Fotosintesis – 2 kelompok reaksi:

panggung ringan (tergantung pada penerangan)

panggung gelap (tergantung suhu).

Kedua kelompok reaksi tersebut terjadi secara bersamaan

Fotosintesis terjadi di kloroplas tumbuhan hijau.

Fotosintesis dimulai dengan penangkapan dan penyerapan cahaya oleh pigmen klorofil yang terdapat pada kloroplas sel tumbuhan hijau.

Hal ini ternyata cukup untuk menggeser spektrum serapan molekul.

Molekul klorofil menyerap foton pada spektrum ungu dan biru, lalu pada spektrum bagian merah, dan tidak berinteraksi dengan foton pada spektrum bagian hijau dan kuning.

Itu sebabnya klorofil dan tumbuhan tampak hijau - mereka tidak bisa memanfaatkan sinar hijau dan membiarkannya berkeliaran di seluruh dunia (sehingga menjadikannya lebih hijau).

Pigmen fotosintetik terletak di sisi dalam membran tilakoid.

Pigmen disusun menjadi fotosistem(bidang antena untuk menangkap cahaya) - mengandung 250–400 molekul pigmen berbeda.

Fotosistem terdiri dari:

pusat reaksi fotosistem (molekul klorofil A),

molekul antena

Semua pigmen dalam fotosistem mampu mentransfer energi keadaan tereksitasi satu sama lain. Energi foton yang diserap oleh satu atau beberapa molekul pigmen ditransfer ke molekul tetangga hingga mencapai pusat reaksi. Ketika sistem resonansi pusat reaksi masuk ke keadaan tereksitasi, ia mentransfer dua elektron tereksitasi ke molekul akseptor dan dengan demikian menjadi teroksidasi dan memperoleh muatan positif.

Pada tumbuhan:

fotosistem 1(penyerapan cahaya maksimum pada panjang gelombang 700 nm - P700)

fotosistem 2(penyerapan cahaya maksimum pada panjang gelombang 680 nm - P680

Perbedaan penyerapan optima disebabkan oleh sedikit perbedaan struktur pigmen.

Kedua sistem tersebut bekerja secara tandem, seperti disebut konveyor dua bagian fotofosforilasi non-siklik .

Persamaan ringkasan untuk fotofosforilasi non-siklik:

Ф - simbol residu asam fosfat

Siklusnya dimulai dengan fotosistem 2.

1) molekul antena menangkap foton dan mengirimkan eksitasi ke pusat aktif molekul P680;

2) molekul P680 yang tereksitasi menyumbangkan dua elektron ke kofaktor Q, sementara itu teroksidasi dan memperoleh muatan positif;

Kofaktor(kofaktor). Koenzim atau zat lain yang diperlukan enzim untuk menjalankan fungsinya

Koenzim (koenzim)[dari lat. co (cum) - bersama-sama dan enzim], senyawa organik yang bersifat non-protein yang berpartisipasi dalam reaksi enzimatik sebagai akseptor atom individu atau kelompok atom yang dibelah oleh enzim dari molekul substrat, mis. untuk melakukan aksi katalitik enzim. Zat-zat ini, berbeda dengan komponen protein enzim (apoenzim), memiliki berat molekul yang relatif kecil dan, biasanya, bersifat termostabil. Kadang-kadang koenzim berarti zat dengan berat molekul rendah, yang partisipasinya diperlukan agar aksi katalitik enzim terjadi, termasuk ion, misalnya. K + , Mg 2+ dan Mn 2+ . Enzim berada. di pusat aktif enzim dan, bersama dengan substrat dan gugus fungsi pusat aktif, membentuk kompleks teraktivasi.

Kebanyakan enzim memerlukan kehadiran koenzim untuk menunjukkan aktivitas katalitik. Pengecualian adalah enzim hidrolitik (misalnya, protease, lipase, ribonuklease), yang menjalankan fungsinya tanpa adanya koenzim.

Molekulnya direduksi sebesar P680 (di bawah aksi enzim). Dalam hal ini, air terdisosiasi menjadi proton dan oksigen molekuler, itu. air adalah donor elektron, yang menjamin pengisian elektron di P 680.

FOTOLISIS AIR- pemisahan molekul air, khususnya selama fotosintesis. Karena fotolisis air, oksigen dihasilkan, yang dilepaskan oleh tanaman hijau ke dalam cahaya.

Fotosintesis- proses sintesis zat organik dengan menggunakan energi cahaya. Organisme yang mampu mensintesis zat organik dari senyawa anorganik disebut autotrofik. Fotosintesis hanya merupakan karakteristik sel organisme autotrofik. Organisme heterotrofik tidak mampu mensintesis zat organik dari senyawa anorganik.
Sel tumbuhan hijau dan beberapa bakteri memiliki struktur khusus dan kompleks bahan kimia yang memungkinkan mereka menangkap energi dari sinar matahari.

Peran kloroplas dalam fotosintesis

Sel tumbuhan mengandung formasi mikroskopis - kloroplas. Ini adalah organel di mana energi dan cahaya diserap dan diubah menjadi energi ATP dan molekul pembawa energi lainnya. Grana kloroplas mengandung klorofil, zat organik kompleks. Klorofil menangkap energi cahaya untuk digunakan dalam biosintesis glukosa dan zat organik lainnya. Enzim yang diperlukan untuk sintesis glukosa juga terletak di kloroplas.

Fase terang fotosintesis

Kuantum cahaya merah yang diserap oleh klorofil mentransfer elektron ke keadaan tereksitasi. Sebuah elektron yang tereksitasi oleh cahaya memperoleh pasokan energi yang besar, sebagai akibatnya ia berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Sebuah elektron yang tereksitasi oleh cahaya dapat diibaratkan seperti batu yang diangkat ke ketinggian, yang juga memperoleh energi potensial. Dia kehilangannya, jatuh dari ketinggian. Elektron yang tereksitasi, seolah-olah secara bertahap, bergerak sepanjang rantai senyawa organik kompleks yang tertanam di dalam kloroplas. Berpindah dari satu langkah ke langkah lainnya, elektron kehilangan energi, yang digunakan untuk sintesis ATP. Elektron yang membuang energi kembali ke klorofil. Bagian baru energi cahaya kembali menggairahkan elektron klorofil. Ia kembali mengikuti jalur yang sama, menghabiskan energi untuk pembentukan molekul ATP.
Ion hidrogen dan elektron, yang diperlukan untuk pemulihan molekul pembawa energi, dibentuk oleh pemecahan molekul air. Pemecahan molekul air dalam kloroplas dilakukan oleh protein khusus di bawah pengaruh cahaya. Proses ini disebut fotolisis air.
Dengan demikian, energi sinar matahari langsung digunakan oleh sel tumbuhan untuk:
1. eksitasi elektron klorofil, yang energinya selanjutnya digunakan untuk pembentukan ATP dan molekul pembawa energi lainnya;
2. fotolisis air, menyuplai ion hidrogen dan elektron ke fase cahaya fotosintesis.
Ini melepaskan oksigen sebagai produk sampingan dari reaksi fotolisis. Tahap di mana, karena energi cahaya, senyawa kaya energi terbentuk - ATP dan molekul pembawa energi, ditelepon fase cahaya fotosintesis.

Fase gelap fotosintesis

Kloroplas mengandung gula lima karbon, salah satunya ribulosa difosfat, adalah akseptor karbon dioksida. Enzim khusus mengikat gula lima karbon dengan karbon dioksida di udara. Dalam hal ini, terbentuk senyawa yang, dengan menggunakan energi ATP dan molekul pembawa energi lainnya, direduksi menjadi molekul glukosa enam karbon. Dengan demikian, energi cahaya diubah selama fase cahaya menjadi energi ATP dan molekul pembawa energi lainnya digunakan untuk sintesis glukosa. Proses-proses ini bisa terjadi dalam kegelapan.
Kloroplas dapat diisolasi dari sel tumbuhan, yang dalam tabung reaksi, di bawah pengaruh cahaya, melakukan fotosintesis - mereka membentuk molekul glukosa baru dan menyerap karbon dioksida. Jika penerangan kloroplas dihentikan, sintesis glukosa juga terhenti. Namun, jika ATP dan molekul pembawa energi tereduksi ditambahkan ke kloroplas, maka sintesis glukosa dilanjutkan dan dapat dilanjutkan dalam kegelapan. Artinya, cahaya sebenarnya hanya diperlukan untuk mensintesis ATP dan mengisi daya molekul pembawa energi. Penyerapan karbon dioksida dan pembentukan glukosa pada tanaman ditelepon fase gelap fotosintesis karena dia bisa berjalan dalam kegelapan.
Pencahayaan yang intens dan peningkatan kandungan karbon dioksida di udara menyebabkan peningkatan aktivitas fotosintesis.

Diimplementasikan proses fotosintesis pada daun tumbuhan. Fotosintesis hanya merupakan ciri tumbuhan hijau. Aspek terpenting dari aktivitas daun ini paling lengkap dicirikan oleh K. A. Timiryazev:

Dapat dikatakan bahwa kehidupan daun mengungkapkan hakikat kehidupan tumbuhan. Semua zat organik, betapapun beragamnya, di mana pun ditemukan - baik pada tumbuhan, hewan, atau manusia - melewati daun, berasal dari zat yang dihasilkan oleh daun.

Struktur daun tumbuhan

Daun tanaman Mereka dicirikan oleh keragaman yang besar dalam struktur anatominya, yang bergantung pada jenis tanaman dan kondisi pertumbuhannya. Daun ditutupi bagian atas dan bawah dengan epidermis - jaringan penutup dengan banyak bukaan yang disebut stomata. Di bawah epidermis atas terdapat palisade, atau parenkim kolumnar, yang disebut asimilasi. Di bawahnya terdapat jaringan yang lebih longgar - parenkim bunga karang, diikuti oleh epidermis bawah. Seluruh daun ditembus oleh jaringan pembuluh darah yang terdiri dari ikatan konduktif yang dilalui air, mineral dan zat organik. Penampang daun. Jaringan daun berbentuk kolumnar dan bunga karang mengandung plastida hijau - kloroplas yang mengandung pigmen. Kehadiran kloroplas dan pigmen hijau yang dikandungnya (klorofil) menjelaskan warna tumbuhan. Permukaan daunnya sangat besar, mencapai 30.000 - 50.000 meter persegi. m per 1 hektar pada tanaman yang berbeda, beradaptasi dengan baik untuk keberhasilan penyerapan CO 2 dari udara selama fotosintesis. Karbon dioksida menembus ke dalam daun tanaman melalui stomata yang terletak di epidermis, memasuki ruang antar sel dan menembus membran sel, memasuki sitoplasma, dan kemudian ke kloroplas, tempat berlangsungnya proses asimilasi. Oksigen yang terbentuk dalam proses ini berdifusi dari permukaan kloroplas dalam keadaan bebas. Jadi, melalui stomata, terjadi pertukaran gas antara daun dan lingkungan luar - pemasukan karbon dioksida dan pelepasan oksigen selama fotosintesis, pelepasan karbon dioksida dan penyerapan oksigen selama respirasi. Selain itu, stomata berfungsi mengeluarkan uap air. Meskipun luas total bukaan stomata hanya 1-2% dari seluruh permukaan daun, namun ketika stomata terbuka, karbon dioksida menembus ke dalam daun dengan kecepatan 50 kali lebih tinggi daripada penyerapannya oleh alkali. . Jumlah stomata sangat banyak - dari beberapa lusin hingga 1500 per 1 persegi. mm.

Kloroplas

Kloroplas- plastida hijau tempat terjadinya proses fotosintesis. Mereka terletak di sitoplasma. Pada tumbuhan tingkat tinggi, kloroplas berbentuk cakram atau lensa; pada tumbuhan tingkat rendah lebih beragam.
Kloroplas dalam sel tumbuhan hijau. Ukuran kloroplas pada tumbuhan tingkat tinggi cukup konstan, rata-rata 1-10 mikron. Biasanya sebuah sel mengandung kloroplas dalam jumlah besar, rata-rata 20-50, dan terkadang lebih. Mereka terletak terutama di daun, dan banyak ditemukan di buah mentah. Dalam suatu tumbuhan, jumlah kloroplas sangat banyak; pada pohon oak dewasa misalnya luasnya 2 hektar. Kloroplas memiliki struktur membran. Ini dipisahkan dari sitoplasma oleh membran membran ganda. Kloroplas mengandung lamela, pelat protein-lipoid, dikumpulkan dalam bundel dan disebut grana. Klorofil terletak di dalam lamela berupa lapisan monomolekul. Di antara lamela ada cairan protein encer - stroma; mengandung butiran pati dan tetesan minyak. Struktur kloroplas beradaptasi dengan baik terhadap fotosintesis, karena pembelahan alat pembawa klorofil menjadi pelat-pelat kecil secara signifikan meningkatkan permukaan aktif kloroplas, yang memfasilitasi akses energi dan transfernya ke sistem kimia yang terlibat dalam fotosintesis. Data dari A. A. Tabentsky menunjukkan bahwa kloroplas berubah sepanjang waktu selama entogenesis tanaman. Pada daun muda, struktur kloroplas berbutir halus diamati, pada daun yang telah menyelesaikan pertumbuhan - struktur berbutir kasar. Pada daun tua, pemecahan kloroplas sudah terlihat. Bahan kering kloroplas mengandung 20-45% protein, 20-40% lipoid, 10-12% karbohidrat dan zat cadangan lainnya, 10% unsur mineral, 5-10% pigmen hijau (klorofil A dan klorofil B), 1-2% karotenoid, serta sejumlah kecil RNA dan DNA. Kadar airnya mencapai 75%. Kloroplas mengandung sejumlah besar enzim hidrolitik dan redoks. Penelitian N. M. Sissakyan menunjukkan bahwa sintesis banyak enzim juga terjadi di kloroplas. Berkat ini, mereka mengambil bagian dalam seluruh proses kehidupan tanaman yang kompleks.

Pigmen, sifat dan kondisi pembentukannya

Pigmen dapat diekstraksi dari daun tanaman dengan alkohol atau aseton. Ekstraknya mengandung pigmen berikut: hijau - klorofil A dan klorofil B; kuning - karoten dan xantofil (karotenoid).

Klorofil

Klorofil mewakili

salah satu zat paling menarik di permukaan bumi

(C. Darwin), karena sintesis zat organik dari CO 2 anorganik dan H 2 O dimungkinkan. Klorofil tidak larut dalam air dan mudah berubah di bawah pengaruh garam, asam dan basa, sehingga sangat sulit untuk menetapkan komposisi kimianya. Etil alkohol atau aseton biasanya digunakan untuk mengekstrak klorofil. Klorofil memiliki rumus ringkasan sebagai berikut: klorofil A- C 55 H 72 O 5 N 4 Mg, klorofil B- C 55 H 70 O 6 N 4 Mg. Dalam klorofil A 2 lebih banyak atom hidrogen dan 1 atom oksigen lebih sedikit daripada klorofil B. Rumus klorofil dapat direpresentasikan sebagai berikut:
Rumus klorofil A Dan B. Tempat sentral dalam molekul klorofil ditempati oleh Mg; itu dapat digantikan dengan mengolah ekstrak alkohol klorofil dengan asam klorida. Pigmen hijau berubah menjadi coklat yang disebut pheophytin, dimana Mg digantikan oleh dua atom H dari asam klorida. Sangat mudah untuk mengembalikan warna hijau ekstrak dengan menambahkan magnesium atau logam lain ke molekul pheophytin. Oleh karena itu, warna hijau klorofil dikaitkan dengan adanya logam dalam komposisinya. Ketika ekstrak alkohol klorofil terkena alkali, gugus alkohol (fitol dan metil alkohol) dihilangkan; dalam hal ini, warna hijau klorofil dipertahankan, menunjukkan bahwa inti molekul klorofil dipertahankan selama reaksi ini. Komposisi kimia klorofil sama pada semua tumbuhan. Kandungan klorofil a selalu lebih besar (sekitar 3 kali lipat) dibandingkan klorofil b. Jumlah total klorofil kecil dan berjumlah sekitar 1% bahan kering daun. Berdasarkan sifat kimianya, klorofil dekat dengan zat pewarna dalam darah - hemoglobin, tempat sentral dalam molekulnya tidak ditempati oleh magnesium, tetapi oleh besi. Sesuai dengan ini, fungsi fisiologisnya juga berbeda: klorofil mengambil bagian dalam proses regeneratif terpenting pada tumbuhan - fotosintesis, dan hemoglobin - dalam proses respirasi organisme hewan, membawa oksigen.

Sifat optik pigmen

Klorofil menyerap energi matahari dan mengarahkannya ke reaksi kimia yang tidak dapat terjadi tanpa energi yang diterima dari luar. Larutan klorofil dalam cahaya yang ditransmisikan berwarna hijau, tetapi seiring bertambahnya ketebalan lapisan atau konsentrasi klorofil, larutan tersebut menjadi merah. Klorofil tidak menyerap cahaya sepenuhnya, tetapi selektif. Ketika cahaya putih dilewatkan melalui sebuah prisma, ia menghasilkan spektrum yang terdiri dari tujuh warna tampak, yang secara bertahap berubah menjadi satu sama lain. Ketika cahaya putih dilewatkan melalui prisma dan larutan klorofil, penyerapan paling kuat dalam spektrum yang dihasilkan akan terjadi pada sinar merah dan biru-ungu. Sinar hijau sedikit diserap, oleh karena itu, pada lapisan tipis, klorofil memiliki warna hijau pada cahaya yang ditransmisikan. Namun, dengan meningkatnya konsentrasi klorofil, pita serapan melebar (sebagian besar sinar hijau juga diserap) dan hanya sebagian sinar merah ekstrim yang melewatinya tanpa serapan. Spektrum serapan klorofil A Dan B sangat dekat. Dalam cahaya yang dipantulkan, klorofil tampak berwarna merah ceri karena ia memancarkan cahaya yang diserap dengan perubahan panjang gelombangnya. Sifat klorofil ini disebut fluoresensi.

Karoten dan xantofil

Karoten dan xantofil memiliki pita serapan hanya pada sinar biru dan ungu. Spektrum mereka dekat satu sama lain.
Spektrum serapan klorofil A Dan B. Energi yang diserap oleh pigmen ini ditransfer ke klorofil A, yang merupakan peserta langsung dalam fotosintesis. Karoten dianggap provitamin A, karena pemecahannya menghasilkan 2 molekul vitamin A. Rumus karoten adalah C 40 H 56, xantofil adalah C 40 H 54 (OH) 2.

Syarat terbentuknya klorofil

Pembentukan klorofil dilakukan dalam 2 fase: fase pertama gelap, di mana prekursor klorofil, protoklorofil, terbentuk, dan fase kedua terang, di mana klorofil terbentuk dari protoklorofil dalam cahaya. Pembentukan klorofil bergantung pada jenis tanaman dan sejumlah kondisi eksternal. Beberapa tanaman, seperti bibit jenis konifera, dapat berubah menjadi hijau bahkan tanpa cahaya, dalam gelap, tetapi pada sebagian besar tanaman, klorofil terbentuk dari protoklorofil hanya dalam cahaya. Dengan tidak adanya cahaya, diperoleh tanaman etiolasi yang memiliki batang tipis, lemah, sangat memanjang dan daun kuning pucat yang sangat kecil. Jika tanaman etiolasi terkena cahaya, daun akan cepat berubah menjadi hijau. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa daunnya sudah mengandung protoklorofil, yang jika terkena cahaya mudah diubah menjadi klorofil. Suhu mempunyai pengaruh yang besar terhadap pembentukan klorofil; Di musim semi yang dingin, daun beberapa semak tidak berubah menjadi hijau sampai cuaca hangat tiba: ketika suhu turun, pembentukan protoklorofil ditekan. Suhu minimum di mana pembentukan klorofil dimulai adalah 2°, suhu maksimum di mana pembentukan klorofil tidak terjadi adalah 40°. Selain suhu tertentu, pembentukan klorofil memerlukan unsur nutrisi mineral terutama zat besi. Jika tidak ada, tanaman akan mengalami penyakit yang disebut klorosis. Rupanya, besi merupakan katalis dalam sintesis protoklorofil, karena besi bukan bagian dari molekul klorofil. Pembentukan klorofil juga membutuhkan nitrogen dan magnesium yang merupakan bagian dari molekulnya. Kondisi penting adalah adanya sel-sel daun plastida yang mampu menghijau. Jika tidak ada, daun tanaman tetap putih, tanaman tidak mampu melakukan fotosintesis dan hanya dapat hidup sampai cadangan bijinya habis. Fenomena ini disebut albinisme. Hal ini terkait dengan perubahan sifat keturunan suatu tanaman.

Hubungan kuantitatif antara klorofil dan karbon dioksida yang dapat diasimilasi

Dengan konten yang lebih tinggi klorofil Pada tumbuhan, proses fotosintesis dimulai pada intensitas cahaya yang lebih rendah dan bahkan pada suhu yang lebih rendah. Dengan meningkatnya kandungan klorofil pada daun maka fotosintesis meningkat, namun sampai batas tertentu. Akibatnya, tidak ada hubungan langsung antara kandungan klorofil dan intensitas penyerapan CO2. Jumlah CO2 yang diserap daun per jam, dihitung per unit klorofil yang terkandung dalam daun, semakin tinggi, semakin sedikit klorofilnya. R. Willstetter dan A. Stohl mengusulkan unit yang mencirikan hubungan antara jumlah klorofil dan karbon dioksida yang diserap. Mereka menyebut jumlah karbon dioksida yang terurai per satuan waktu per satuan berat klorofil nomor asimilasi. Angka asimilasinya tidak konstan: semakin tinggi bila kandungan klorofilnya rendah dan semakin rendah bila kandungan klorofilnya tinggi. Akibatnya, molekul klorofil digunakan lebih produktif ketika kandungannya di dalam daun rendah, dan produktivitas klorofil menurun seiring dengan bertambahnya jumlahnya. Data dimasukkan ke dalam tabel.

Tabel Nomor asimilasi tergantung pada kandungan klorofil (menurut R. Willstetter dan A. Stohl)

Tanaman	pada 10 daun (mg)	Nomor asimilasi
ras hijau ras kuning	16,2 1,2	6,9 82,0
Ungu	16,2	5,8
Tauge yang mengalami etiolasi setelah penyalaan selama : 6 jam 4 hari

Tabel yang dipublikasikan menunjukkan bahwa tidak ada hubungan langsung antara kandungan klorofil dan jumlah CO2 yang diserap. Klorofil pada tumbuhan selalu ditemukan berlebih dan tentunya tidak semuanya terlibat dalam fotosintesis. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa selama fotosintesis, bersama dengan proses fotokimia yang dilakukan dengan partisipasi klorofil, terdapat proses kimia murni yang tidak memerlukan cahaya. Reaksi gelap pada tumbuhan berlangsung jauh lebih lambat dibandingkan reaksi terang. Kecepatan reaksi terang 0,00001 detik, reaksi gelap 0,04 detik. Reaksi gelap pada proses fotosintesis pertama kali ditemukan oleh F. Blackman. Ia menemukan bahwa reaksi gelap bergantung pada suhu, dan seiring peningkatannya, laju proses gelap meningkat. Durasi reaksi terang dapat diabaikan, sehingga laju fotosintesis terutama ditentukan oleh durasi proses gelap. Kadang-kadang, dalam kondisi yang mendukung fotosintesis (klorofil dan cahaya cukup), proses berlangsung lambat. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa produk yang terbentuk selama reaksi fotokimia tidak mempunyai waktu untuk diproses selama reaksi gelap. Sejumlah kecil klorofil memungkinkan semua produk yang terbentuk dalam reaksi fotokimia diproses dengan cepat dan sempurna selama reaksi gelap.

Fotosintesis adalah proses sintesis zat organik dari zat anorganik dengan menggunakan energi cahaya. Dalam sebagian besar kasus, fotosintesis dilakukan oleh tumbuhan menggunakan organel seluler seperti kloroplas mengandung pigmen hijau klorofil.

Jika tumbuhan tidak mampu mensintesis bahan organik, maka hampir semua organisme lain di bumi tidak akan memiliki makanan, karena hewan, jamur, dan banyak bakteri tidak dapat mensintesis bahan organik dari bahan anorganik. Mereka hanya menyerap yang sudah jadi, membaginya menjadi yang lebih sederhana, dari mana mereka kembali merakit yang rumit, tetapi sudah menjadi ciri khas tubuh mereka.

Hal ini terjadi jika kita berbicara secara singkat tentang fotosintesis dan perannya. Untuk memahami fotosintesis, kita perlu menjelaskan lebih lanjut: zat anorganik spesifik apa yang digunakan, bagaimana sintesis terjadi?

Fotosintesis membutuhkan dua zat anorganik - karbon dioksida (CO 2) dan air (H 2 O). Yang pertama diserap dari udara oleh bagian tanaman di atas tanah terutama melalui stomata. Air berasal dari tanah, kemudian disalurkan ke sel fotosintesis melalui sistem konduksi tanaman. Selain itu, fotosintesis memerlukan energi foton (hν), tetapi foton tersebut tidak dapat dikaitkan dengan materi.

Secara total, fotosintesis menghasilkan bahan organik dan oksigen (O2). Biasanya, bahan organik paling sering berarti glukosa (C 6 H 12 O 6).

Senyawa organik sebagian besar terdiri dari atom karbon, hidrogen dan oksigen. Mereka ditemukan dalam karbon dioksida dan air. Namun, selama fotosintesis, oksigen dilepaskan. Atom-atomnya diambil dari air.

Secara singkat dan umum persamaan reaksi fotosintesis biasanya ditulis sebagai berikut:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Namun persamaan ini tidak mencerminkan esensi fotosintesis dan tidak membuatnya dapat dimengerti. Begini, walaupun persamaannya seimbang, di dalamnya jumlah atom dalam oksigen bebas adalah 12. Tapi kita bilang atom-atom itu berasal dari air, dan hanya ada 6 atom.

Faktanya, fotosintesis terjadi dalam dua fase. Yang pertama disebut lampu, Kedua - gelap. Nama-nama tersebut disebabkan oleh fakta bahwa cahaya hanya diperlukan untuk fase terang, fase gelap tidak tergantung pada kehadirannya, tetapi ini tidak berarti bahwa ia terjadi dalam gelap. Fase terang terjadi pada membran tilakoid kloroplas, dan fase gelap terjadi pada stroma kloroplas.

Selama fase cahaya, pengikatan CO2 tidak terjadi. Yang terjadi hanyalah penangkapan energi matahari oleh kompleks klorofil, penyimpanannya dalam ATP, dan penggunaan energi untuk mereduksi NADP menjadi NADP*H 2 . Aliran energi dari klorofil yang tereksitasi cahaya disediakan oleh elektron yang ditransmisikan sepanjang rantai transpor elektron enzim yang dibangun ke dalam membran tilakoid.

Hidrogen untuk NADP berasal dari air, yang terurai oleh sinar matahari menjadi atom oksigen, proton hidrogen, dan elektron. Proses ini disebut fotolisis. Oksigen dari air tidak diperlukan untuk fotosintesis. Atom oksigen dari dua molekul air bergabung membentuk molekul oksigen. Persamaan reaksi fase terang fotosintesis secara singkat terlihat seperti ini:

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

Dengan demikian, pelepasan oksigen terjadi selama fase cahaya fotosintesis. Jumlah molekul ATP yang disintesis dari ADP dan asam fosfat per fotolisis satu molekul air bisa berbeda: satu atau dua.

Jadi, ATP dan NADP*H 2 berasal dari fase terang ke fase gelap. Di sini, energi yang pertama dan daya reduksi yang kedua dihabiskan untuk mengikat karbon dioksida. Tahap fotosintesis ini tidak dapat dijelaskan secara sederhana dan ringkas karena tidak berlangsung sedemikian rupa sehingga enam molekul CO2 bergabung dengan hidrogen yang dilepaskan dari molekul NADP*H2 untuk membentuk glukosa:

6CO 2 + 6NADP*H 2 →C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(reaksi terjadi dengan pengeluaran energi ATP, yang terurai menjadi ADP dan asam fosfat).

Reaksi yang diberikan hanyalah penyederhanaan agar lebih mudah dipahami. Faktanya, molekul karbon dioksida mengikat satu per satu, bergabung dengan zat organik berkarbon lima yang sudah disiapkan. Zat organik enam karbon yang tidak stabil terbentuk, yang terurai menjadi molekul karbohidrat tiga karbon. Beberapa molekul ini digunakan untuk mensintesis ulang zat lima karbon asli untuk mengikat CO 2 . Resintesis ini terjamin siklus Calvin. Sebagian kecil molekul karbohidrat yang mengandung tiga atom karbon keluar dari siklus. Semua zat organik lainnya (karbohidrat, lemak, protein) dan zat lain disintesis darinya.

Faktanya, gula tiga karbon, bukan glukosa, yang keluar dari fase gelap fotosintesis.