Фотосинтез

Процесс фотосинтеза лежит  в основе существования  на Земле жизни  вообще и человека в частности. Фотосинтез – это процесс  преобразования поглощенной  энергии света  в химическую энергию  органических соединений. 

Фотосинтез  – единственный процесс  в биосфере, ведущий к увеличению энергии биосферы за счет внешнего источника – Солнца – и обеспечивающий существование как растений, так и практически всех гетеротрофных организмов.

Фотосинтез (от греч. фотос- — свет и синтез, совмещение, соединение) — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.

Процесс образования сахара и крахмала из углекислого газа и воды на свету  называется фотосинтез. В растительной клетке этот процесс идет в хлоропластах, т. е . только в зеленых частях растения.

Квант света (здесь уместно вспомнить что это такое) попадает на молекулу хлорофилла, которая находится в мембране тилакоида в хлоропласте. Хлорофилл, получив порцию энергии, возбуждается и эту лишнюю энергию выбрасывает вместе со своим электроном за пределы мембраны в строму хлоропласта. Но, потерявшая энергию молекула хлорофилла стремится возместить свою потерю и отбирает электрон у молекулы воды, которая при этом распадается на кислород и протон. Происходит фотолиз воды. Кислород выделяется в атмосферу, а протоны собираются внутри тилакоида. Теперь возникает ситуация очень напоминающая конденсатор. Мы имеем накапливающиеся “+” и “–” заряды, разделенные слоем диэлектрика – мембраной. Могут ли заряды накапливаться до бесконечности? Конечно, нет. При определенной разности потенциалов произойдет пробой изолятора, т.е. протоны пройдут сквозь мембрану и соединятся с электронами. При этом выделится энергия (в случае конденсатора в виде искры). Для этой цели в мембране предусмотрен специальный канал, в котором находится фермент АТФаза, поэтому выделяющаяся энергия не превращается в свет, а расходуется на синтез АТФ. Таким образом, энергия света превращается в энергию макроэргических связей АТФ. В строме хлоропласта атомарный водород вступает в химическую реакцию с углекислым газом и образуется глюкоза. На эту реакцию тратится энергия АТФ, т.е. энергия АТФ превращается в энергию химических связей в молекуле глюкозы.

Словарь

Автотрофы – организмы синтезирующие органические вещества из неорганических соединений, с использованием энергии солнечного излучения.

Гетеротрофы – организмы, использующие для питания  готовые органические вещества.

Фотосинтез  – синтез органических соединений из неорганических с использованием солнечного света, при участии хлорофилла.

Световая  фаза фотосинтеза – фаза протекающая  при солнечном свете с участием хлорофилла.

Темновая  фаза фотосинтеза – протекает  как на свету, так и в темноте, характеризуется активным синтезом углеводов. 
 
 

реакциях  темновой фазы с краткой характеристикой  цикла и записью химической формулы. Взаимосвязь темновой и световой фаз.

6СО₂+ 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ 

Процесс фотосинтеза состоит из 2-х последовательных фаз.

Световая  фаза происходит только на свету в  мембране тилакоидов гран при участии  хлорофилла, белков –переносчиков  и АТФ-синтетазы.

     При действии кванта света  электрон молекулы хлорофилла  переносится на более высокий  энергетический уровень, а хлорофилл переходит в возбужденное состояние, теряя электрон.  
 

Хл       Хл*+е-

Эти электроны  передаются переносчиками на наружнюю мембрану тилакоидов гран, где накапливаются.

       Одновременно внутри полостей  тилакоидов гран происходит фотолиз, т.е., разложение воды под действием энергии света. 

          2Н2Освет  4Н+ + 4е- + О2   

  или  Н2Освет  Н+ +ОН-

         4ОН-          2Н2О + О2 

Электроны, образующиеся при фотолизе, передаются переносчиками молекулам хлорофилла и восстанавливают их.

Кислород  уходит в атмосферу, а протоны  водорода не могут проникнуть через  мембрану граны и накапливаются  внутри нее, создавая протонный резервуар.

В результате, внутренняя поверхность мембраны заряжается положительно, а наружняя – отрицательно.

По мере накопления по обе стороны мембраны противоположно заряженных частиц нарастает  разность потенциалов. При достижении критической величины разности потенциалов  сила электрического поля начинает проталкивать протоны через канал АТФ-синтетазы.

На выходе из протонного канала создается высокий уровень энергии, который идет на образование молекул АТФ из АДФ:

                    АДФ + Ф      АТФ

Ионы  водорода, оказавшись на наружней поверхности  мембраны тилакоида, встречаются там  с электронами, образуя атомарный водород, котроый идет на восстановление НАДФ+: 

                   Н+ + 2е- + НАДФ+             НАД.Н 

Темновая  фаза протекает в строме хлоропласта как на свету, так и в темноте и представляет собой ряд последовательных преобразований СО2, поступающего из воздуха (цикл Кальвина).

В строме постоянно присутствуют пентозы, среди  которых имеется рибулозодифосфат, являющийся акцептором СО2. Ферменты связывают  пентозу с углекислым газом, образуя  гексозу, которая расщепляется на 2 триозы. Каждая из 2-х триоз принимает по одной фосфатной группе от АТФ, обогащая молекулы энергией. Затем каждая из 2-х триоз принимает по одному атому водорода от 2-х молекул НАДФ.Н. После чего триозы объединяются, образуя углеводы:

                2С3       С6  (С6Н12О6)

Другие триозы объединяются, образуя пентозы:

       5С3         3С5

  и  вновь возвращаются в цикл  Кальвина.

Суммарная реакция фотосинтеза:

                  6СО2 +6Н2О       С6Н12О6 +6О2