In der Lichtphase der Photosynthese verbrauchte Energie. Lichtphase der Photosynthese. Dunkle Phase der Photosynthese. Hauptreaktionen und ihre Orte, die in Phasen ablaufen
Grundkonzepte und Schlüsselbegriffe: Photosynthese. Chlorophyll. Lichtphase. Dunkle Phase.
Erinnern! Was ist Plastikaustausch?
Denken!
Die Farbe Grün wird in den Gedichten von Dichtern häufig erwähnt. So hat Bogdan-Igor Antonich die Zeilen: „... Poesie überschwänglich und weise, wie Grün“, „... ein Schneesturm aus Grün, ein Feuer aus Grün“
„...die grüne Flut steigt aus den Gemüseflüssen.“ Grün ist die Farbe der Erneuerung, ein Symbol für Jugend, Ruhe und die Farbe der Natur.
Warum sind Pflanzen grün?
Was sind die Bedingungen für die Photosynthese?
Die Photosynthese (vom griechischen Foto – Licht, Synthese – Kombination) ist ein äußerst komplexer Satz plastischer Stoffwechselprozesse. Wissenschaftler unterscheiden drei Arten der Photosynthese: Sauerstoff (unter Freisetzung von molekularem Sauerstoff in Pflanzen und Cyanobakterien), sauerstofffrei (unter Beteiligung von Bakteriochlorophyll unter anaeroben Bedingungen ohne Freisetzung von Sauerstoff in Photobakterien) und chlorophyllfrei (unter Beteiligung von bakterielle Rhodopsine in Archaeen). In einer Tiefe von 2,4 km wurden grüne Schwefelbakterien GSB1 gefunden, die statt Sonnenlicht Nutzen Sie die schwachen Strahlen schwarzer Raucher. Aber wie K. Swenson in einer Monographie über Zellen schrieb: „Die primäre Energiequelle für die lebende Natur ist die Energie des sichtbaren Lichts.“
Am häufigsten in der belebten Natur ist die Sauerstoffphotosynthese, die Lichtenergie, Kohlendioxid, Wasser, Enzyme und Chlorophyll erfordert. Licht für die Photosynthese wird vom Chlorophyll absorbiert, Wasser wird durch die Poren der Zellwand an die Zellen abgegeben und Kohlendioxid gelangt durch Diffusion in die Zellen.
Die wichtigsten photosynthetischen Pigmente sind Chlorophylle. Chlorophylle (vom griechischen Chloros – Grün und Phylon – Blatt) sind grüne Pflanzenpigmente, unter deren Beteiligung Photosynthese stattfindet. Die grüne Farbe von Chlorophyll ist eine Anpassung zur Absorption blauer und teilweise roter Strahlen. Und grüne Strahlen werden vom Pflanzenkörper reflektiert, gelangen in die Netzhaut des menschlichen Auges, reizen die Zapfen und verursachen farbige Sehempfindungen. Deshalb sind Pflanzen grün!
Neben Chlorophyllen verfügen Pflanzen über Hilfscarotinoide und Cyanobakterien und Rotalgen über Phycobiline. Grüne
und Purpurbakterien enthalten Bakteriochlorophylle, die blaue, violette und sogar Infrarotstrahlen absorbieren.
Die Photosynthese findet statt große Pflanzen, Algen, Cyanobakterien, einige Archaeen, also in Organismen, die als Photoautotrophen bekannt sind. Die Photosynthese in Pflanzen findet in Chloroplasten, in Cyanobakterien und Photobakterien statt – auf inneren Einstülpungen von Membranen mit Photopigmenten.
PHOTOSYNTHESE ist also der Prozess der Bildung organischer Verbindungen aus anorganischen unter Verwendung von Lichtenergie und unter Beteiligung photosynthetischer Pigmente.
Was sind die Merkmale der Hell- und Dunkelphasen der Photosynthese?
Bei der Photosynthese werden zwei Phasen unterschieden – helle und dunkle Phasen (Abb. 49).
Die Lichtphase der Photosynthese findet in den Grana von Chloroplasten unter Beteiligung von Licht statt. Dieses Stadium beginnt in dem Moment, in dem Lichtquanten von einem Chlorophyllmolekül absorbiert werden. In diesem Fall bewegen sich die Elektronen des Magnesiumatoms im Chlorophyllmolekül auf ein höheres Energieniveau und akkumulieren sich potenzielle Energie. Ein erheblicher Teil der angeregten Elektronen überträgt diese auf andere chemische Verbindungen zur Bildung von ATP und zur Reduktion von NADP (Nikotinamidadenindinukleotidphosphat). Diese Verbindung mit solchen langer Name ist ein universeller biologischer Wasserstoffträger in der Zelle. Unter dem Einfluss von Licht findet der Prozess der Wasserzersetzung statt – Photolyse. Dabei entstehen Elektronen (e“), Protonen (H+) und als Nebenprodukt molekularer Sauerstoff. Wasserstoffprotonen H+, die Elektronen mit einem hohen Energieniveau hinzufügen, werden in atomaren Wasserstoff umgewandelt, der zur Reduktion von NADP+ zu NADP verwendet wird. N. Somit sind die Hauptprozesse der Lichtphase: 1) Photolyse von Wasser (Spaltung von Wasser unter Lichteinfluss unter Bildung von Sauerstoff); 2) Reduktion von NADP (Anfügung eines Wasserstoffatoms an NADP); 3) Photophosphorylierung (Bildung von ATP aus ADP).
Die Lichtphase ist also eine Reihe von Prozessen, die aufgrund der Lichtenergie die Bildung von molekularem Sauerstoff, atomarem Wasserstoff und ATP sicherstellen.
Die Dunkelphase der Photosynthese findet im Stroma von Chloroplasten statt. Seine Prozesse sind lichtunabhängig und können je nach Glukosebedarf der Zelle sowohl im Hellen als auch im Dunkeln ablaufen. Die Dunkelphase basiert auf zyklischen Reaktionen, die als Kohlendioxid-Fixierungszyklus oder Calvin-Zyklus bezeichnet werden. Dieser Prozess wurde erstmals vom amerikanischen Biochemiker Melvin Calvin (1911 – 1997), Preisträger, untersucht Nobelpreis in Chemie (1961). In der Dunkelphase wird Glukose aus Kohlendioxid, Wasserstoff aus NADP und ATP-Energie synthetisiert. CO 2 -Fixierungsreaktionen werden durch Ribulosebisphosphatcarboxylase (Rubisco), das häufigste Enzym auf der Erde, katalysiert.
Die Dunkelphase ist also eine Reihe zyklischer Reaktionen, die dank der chemischen Energie von ATP die Bildung von Glukose unter Verwendung von Kohlendioxid, einer Kohlenstoffquelle, und Wasser, einer Wasserstoffquelle, sicherstellen.
Welche planetarische Rolle spielt die Photosynthese?
Die Bedeutung der Photosynthese für die Biosphäre kann kaum überschätzt werden. Dank dieses Prozesses wird die Lichtenergie der Sonne von Photoautotrophen in die chemische Energie von Kohlenhydraten umgewandelt, die im Allgemeinen primäre organische Substanz liefern. Hier beginnen die Nahrungsketten, über die Energie an heterotrophe Organismen übertragen wird. Pflanzen dienen Pflanzenfressern als Nahrung, die dadurch das Notwendige erhalten Nährstoffe. Dann werden Pflanzenfresser zur Nahrung für Raubtiere; sie brauchen auch Energie, ohne die ein Leben unmöglich ist.
Nur ein kleiner Teil der Sonnenenergie wird von Pflanzen eingefangen und für die Photosynthese genutzt. Die Energie der Sonne wird hauptsächlich zur Verdunstung und Erhaltung genutzt Temperaturregime Erdoberfläche. Somit dringen nur etwa 40–50 % der Sonnenenergie in die Biosphäre ein und nur 1–2 % der Sonnenenergie werden in synthetisierte organische Substanz umgewandelt.
Grüne Pflanzen und Cyanobakterien beeinflussen die Gaszusammensetzung der Atmosphäre. Der gesamte Sauerstoff in der modernen Atmosphäre ist ein Produkt der Photosynthese. Die Bildung der Atmosphäre veränderte den Zustand der Erdoberfläche völlig und ermöglichte die aerobe Atmung. Später im Evolutionsprozess, nach der Bildung der Ozonschicht, gelangten lebende Organismen an Land. Darüber hinaus verhindert die Photosynthese die Ansammlung von CO 2 und schützt den Planeten vor Überhitzung.
Die Photosynthese hat also eine planetarische Bedeutung und sichert die Existenz der lebenden Natur auf dem Planeten Erde.
AKTIVITÄT-Matching-Aufgabe
Vergleichen Sie anhand der Tabelle die Photosynthese mit der aeroben Atmung und ziehen Sie eine Schlussfolgerung über den Zusammenhang zwischen Kunststoff- und Energiestoffwechsel.
VERGLEICHENDE EIGENSCHAFTEN DER PHOTOSYNTHESE UND DER AEROBEN ATMUNG
Anwendung der Wissensaufgabe
Erkennen und benennen Sie die Organisationsebenen des Photosyntheseprozesses in Pflanzen. Nennen Sie die Anpassungen eines Pflanzenorganismus an die Photosynthese auf verschiedenen Ebenen seiner Organisation.
BEZIEHUNG Biologie + Literatur
К. А. Тимирязев (1843 - 1920), один из наиболее известных исследователей фотосинтеза, написал: «Микроскопическое зелёное зерно хлорофилла является фокусом, точкой в мировом пространстве, в которую с одного конца притекает энергия Солнца, а с другого берут начало все проявления жизни auf der Erde. Es ist ein echter Prometheus, der das Feuer vom Himmel stahl. Der Sonnenstrahl, den er gestohlen hat, brennt sowohl im flackernden Abgrund als auch im blendenden Funken der Elektrizität. Ein Sonnenstrahl setzt das Schwungrad einer riesigen Dampfmaschine, den Pinsel eines Künstlers und die Feder eines Dichters in Bewegung.“ Wenden Sie Ihr Wissen an und beweisen Sie die Aussage, dass der Sonnenstrahl die Feder des Dichters in Bewegung setzt.
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Selbstkontrollaufgaben |
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1. Was ist Photosynthese? 2. Was ist Chlorophyll? 3. Was ist die Lichtphase der Photosynthese? 4. Was ist die Dunkelphase der Photosynthese? 5. Was ist primäre organische Substanz? 6. Wie bestimmt die Photosynthese die aerobe Atmung von Organismen? |
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7. Was sind die Bedingungen für die Photosynthese? 8. Was sind die Merkmale der hellen und dunklen Phasen der Photosynthese? 9. Welche Rolle spielt die Photosynthese auf unserem Planeten? |
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10. Was sind die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Photosynthese und aerober Atmung? |
Das ist Lehrbuchmaterial
Und NADP·H 2 wird in der leichten Phase erhalten. Genauer gesagt: In der Dunkelphase wird Kohlendioxid (CO 2) gebunden.
Dieser Prozess ist mehrstufig; in der Natur gibt es zwei Hauptwege: C 3 -Photosynthese und C 4 -Photosynthese. Der lateinische Buchstabe C bezeichnet ein Kohlenstoffatom, die Zahl danach gibt die Anzahl der Kohlenstoffatome im primären organischen Produkt der Dunkelphase der Photosynthese an. Im Fall des C 3 -Wegs wird daher davon ausgegangen, dass das Primärprodukt Phosphoglycerinsäure mit drei Kohlenstoffatomen ist, die als PGA bezeichnet wird. Beim C4-Weg ist die erste organische Substanz, die Kohlendioxid bindet, Oxalessigsäure mit vier Kohlenstoffatomen (Oxalacetat).
Die C 3 -Photosynthese wird nach dem Wissenschaftler, der sie untersucht hat, auch Calvin-Zyklus genannt. Die C 4 -Photosynthese umfasst den Calvin-Zyklus, besteht jedoch nicht nur daraus und wird als Hatch-Slack-Zyklus bezeichnet. IN gemäßigte Breiten C 3 -Pflanzen sind in tropischen Pflanzen weit verbreitet - C 4 .
Die Dunkelreaktionen der Photosynthese finden im Stroma des Chloroplasten statt.
Calvin-Zyklus
Die erste Reaktion des Calvin-Zyklus ist die Carboxylierung von Ribulose-1,5-bisphosphat (RiBP). Carboxylierung- Dies ist die Addition eines CO 2 -Moleküls, was zur Bildung einer Carboxylgruppe -COOH führt. RiBP ist Ribose (ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen) mit Phosphatgruppen (gebildet durch Phosphorsäure), die an den terminalen Kohlenstoffatomen angebracht sind:
Chemische Formel von RiBP
Die Reaktion wird durch das Enzym Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase-Oxygenase katalysiert ( RubisKO). Es kann nicht nur die Bindung von Kohlendioxid, sondern auch von Sauerstoff katalysieren, worauf das Wort „Oxygenase“ in seinem Namen hinweist. Wenn RuBisCO die Reaktion der Sauerstoffaddition an das Substrat katalysiert, folgt die Dunkelphase der Photosynthese nicht mehr dem Weg des Calvin-Zyklus, sondern entlang des Weges Photoatmung, was grundsätzlich schädlich für die Pflanze ist.
Die Katalyse der Reaktion der Zugabe von CO 2 zu RiBP erfolgt in mehreren Schritten. Dadurch entsteht eine instabile organische Verbindung mit sechs Kohlenstoffatomen, die sofort in zwei Moleküle mit drei Kohlenstoffatomen zerfällt Phosphoglycerinsäure
Chemische Formel von Phosphoglycerinsäure
Anschließend wird PGA in Phosphoglycerinaldehyd (PGA) umgewandelt, auch Phosphoglycerinaldehyd genannt Triosephosphat.
Ein kleinerer Teil von PHA verlässt den Calvin-Zyklus und wird für die Synthese komplexerer Substanzen verwendet organische Substanz, wie zum Beispiel Glukose. Dieses wiederum kann zu Stärke polymerisieren. Unter Beteiligung verschiedener Ausgangsstoffe entstehen weitere Stoffe (Aminosäuren, Fettsäuren). Solche Reaktionen werden nicht nur in beobachtet Pflanzenzellen. Wenn wir die Photosynthese als ein einzigartiges Phänomen chlorophyllhaltiger Zellen betrachten, dann endet sie mit der Synthese von PHA und nicht von Glukose.
Die meisten PHA-Moleküle verbleiben im Calvin-Zyklus. Dabei kommt es zu einer Reihe von Transformationen, durch die sich PHA in RiBP verwandelt. Dabei wird auch ATP-Energie verbraucht. Dadurch wird RiBP regeneriert, um neue Kohlendioxidmoleküle zu binden.
Hatch-Slack-Zyklus
Bei vielen Pflanzen in heißen Lebensräumen ist die Dunkelphase der Photosynthese etwas komplexer. Im Laufe der Evolution entstand die C 4 -Photosynthese als mehr effektive Methode Bindung von Kohlendioxid, als die Sauerstoffmenge in der Atmosphäre zunahm, und RuBisCO begann, für ineffektive Photoatmung aufgewendet zu werden.
In C4-Pflanzen gibt es zwei Arten von Photosynthesezellen. In den Chloroplasten des Mesophylls der Blätter findet die helle Phase der Photosynthese und ein Teil der dunklen Phase statt, nämlich die Bindung von CO 2 mit Phosphoenolpyruvat(FEP). Dadurch entsteht eine organische Säure mit vier Kohlenstoffatomen. Diese Säure wird dann zu den Chloroplasten der Gefäßbündelhüllenzellen transportiert. Dabei wird daraus enzymatisch ein CO 2 -Molekül abgespalten, das dann in den Calvin-Zyklus gelangt. Die nach der Decarboxylierung verbleibende Säure mit drei Kohlenstoffatomen ist Brenztraubensäure- kehrt zu den Mesophyllzellen zurück, wo es erneut in PEP umgewandelt wird.
Obwohl der Hatch-Slack-Zyklus eine energieintensivere Version der Dunkelphase der Photosynthese ist, ist das Enzym, das CO 2 und PEP bindet, ein wirksamerer Katalysator als RuBisCO. Darüber hinaus reagiert es nicht mit Sauerstoff. Der Transport von CO 2 mit Hilfe organischer Säure zu tieferen Zellen, zu denen der Sauerstofffluss erschwert ist, führt dazu, dass hier die Konzentration von Kohlendioxid ansteigt und RuBisCO fast nicht für die Bindung von molekularem Sauerstoff aufgewendet wird.
- Synthese organischer Stoffe aus Kohlendioxid und Wasser unter obligatorischer Nutzung von Lichtenergie:
6CO 2 + 6H 2 O + Q Licht → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.
Bei höheren Pflanzen ist das Organ der Photosynthese das Blatt und die Organellen der Photosynthese sind die Chloroplasten (Aufbau der Chloroplasten – Vorlesung Nr. 7). Die Membranen der Chloroplasten-Thylakoide enthalten photosynthetische Pigmente: Chlorophylle und Carotinoide. Es gibt einige verschiedene Typen Chlorophyll ( A B C D), das wichtigste ist Chlorophyll A. Im Chlorophyllmolekül kann man einen Porphyrin-„Kopf“ mit einem Magnesiumatom im Zentrum und einen Phytol-„Schwanz“ unterscheiden. Der Porphyrin-„Kopf“ ist eine flache Struktur, hydrophil und liegt daher auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Membran aquatische Umgebung Stroma. Der Phytol-„Schwanz“ ist hydrophob und hält dadurch das Chlorophyllmolekül in der Membran zurück.
Chlorophylle absorbieren rotes und blauviolettes Licht, reflektieren Grün und verleihen Pflanzen so ihre Charakteristik grüne Farbe. Chlorophyllmoleküle in Thylakoidmembranen sind in organisiert Fotosysteme. Pflanzen und Blaualgen verfügen über das Photosystem 1 und das Photosystem 2, während photosynthetische Bakterien über das Photosystem 1 verfügen. Nur Photosystem 2 kann Wasser zersetzen, um Sauerstoff freizusetzen und dem Wasserstoff des Wassers Elektronen zu entziehen.
Die Photosynthese ist ein komplexer, mehrstufiger Prozess. Photosynthesereaktionen werden in zwei Gruppen unterteilt: Reaktionen Lichtphase und Reaktionen dunkle Phase.
Lichtphase
Diese Phase findet nur in Gegenwart von Licht in Thylakoidmembranen unter Beteiligung von Chlorophyll, Elektronentransportproteinen und dem Enzym ATP-Synthetase statt. Unter dem Einfluss eines Lichtquants werden Chlorophyllelektronen angeregt, verlassen das Molekül und dringen in die Außenseite der Thylakoidmembran ein, die letztendlich negativ geladen wird. Oxidierte Chlorophyllmoleküle werden reduziert und entziehen dem im Intrathylakoidraum befindlichen Wasser Elektronen. Dies führt zum Abbau bzw. zur Photolyse von Wasser:
H 2 O + Q Licht → H + + OH - .
Hydroxylionen geben ihre Elektronen ab und werden zu reaktiven Radikalen.OH:
OH - → .OH + e - .
OH-Radikale verbinden sich zu Wasser und freiem Sauerstoff:
4NEIN. → 2H 2 O + O 2.
Sauerstoff wird entfernt Außenumgebung, und Protonen sammeln sich im Thylakoid in einem „Protonenreservoir“. Dadurch wird die Thylakoidmembran einerseits durch H+ positiv und andererseits durch Elektronen negativ geladen. Wenn die Potentialdifferenz zwischen der Außen- und Innenseite der Thylakoidmembran 200 mV erreicht, werden Protonen durch die ATP-Synthetase-Kanäle gedrückt und ADP wird zu ATP phosphoryliert; Atomarer Wasserstoff wird verwendet, um den spezifischen Träger NADP + (Nicotinamidadenindinukleotidphosphat) zu NADPH 2 wiederherzustellen:
2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.
Somit findet in der Lichtphase eine Photolyse von Wasser statt, die von drei wichtigen Prozessen begleitet wird: 1) ATP-Synthese; 2) die Bildung von NADPH 2; 3) die Bildung von Sauerstoff. Sauerstoff diffundiert in die Atmosphäre, ATP und NADPH 2 werden in das Stroma des Chloroplasten transportiert und nehmen an den Prozessen der Dunkelphase teil.
1 - Chloroplastenstroma; 2 - Grana-Thylakoid.
Dunkle Phase
Diese Phase findet im Stroma des Chloroplasten statt. Seine Reaktionen erfordern keine Lichtenergie und finden daher nicht nur im Licht, sondern auch im Dunkeln statt. Dunkelphasenreaktionen sind eine Kette aufeinanderfolgender Umwandlungen von Kohlendioxid (aus der Luft), die zur Bildung von Glukose und anderen organischen Substanzen führen.
Die erste Reaktion in dieser Kette ist die Fixierung von Kohlendioxid; Der Kohlendioxidakzeptor ist ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen. Ribulosebiphosphat(RiBF); Enzym katalysiert die Reaktion Ribulosebiphosphat-Carboxylase(RiBP-Carboxylase). Durch die Carboxylierung von Ribulosebisphosphat entsteht eine instabile Verbindung mit sechs Kohlenstoffatomen, die sofort in zwei Moleküle zerfällt Phosphoglycerinsäure(FGK). Anschließend findet ein Reaktionszyklus statt, bei dem Phosphoglycerinsäure über eine Reihe von Zwischenprodukten in Glucose umgewandelt wird. Diese Reaktionen nutzen die Energie von ATP und NADPH 2, die in der leichten Phase gebildet werden; Der Zyklus dieser Reaktionen wird „Calvin-Zyklus“ genannt:
6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.
Neben Glukose entstehen bei der Photosynthese weitere Monomere komplexer organischer Verbindungen – Aminosäuren, Glycerin und Fettsäuren, Nukleotide. Derzeit gibt es zwei Arten der Photosynthese: C 3 - und C 4 -Photosynthese.
C 3-Photosynthese
Dies ist eine Art der Photosynthese, bei der das erste Produkt Verbindungen mit drei Kohlenstoffatomen (C3) sind. Die C3-Photosynthese wurde vor der C4-Photosynthese entdeckt (M. Calvin). Es handelt sich um die C 3 -Photosynthese, die oben unter der Überschrift „Dunkelphase“ beschrieben wurde. Eigenschaften C 3-Photosynthese: 1) der Kohlendioxidakzeptor ist RiBP, 2) die Carboxylierungsreaktion von RiBP wird durch RiBP-Carboxylase katalysiert, 3) durch die Carboxylierung von RiBP entsteht eine Verbindung mit sechs Kohlenstoffatomen, die in zwei PGAs zerfällt . FGK wird wiederhergestellt Triosephosphate(TF). Ein Teil des TF wird für die Regeneration von RiBP verwendet, ein Teil wird in Glukose umgewandelt.
1 - Chloroplast; 2 - Peroxisom; 3 - Mitochondrien.
Dabei handelt es sich um eine lichtabhängige Aufnahme von Sauerstoff und Freisetzung von Kohlendioxid. Zu Beginn des letzten Jahrhunderts wurde festgestellt, dass Sauerstoff die Photosynthese unterdrückt. Wie sich herausstellte, kann das Substrat der RiBP-Carboxylase nicht nur Kohlendioxid, sondern auch Sauerstoff sein:
O 2 + RiBP → Phosphoglycolat (2C) + PGA (3C).
Das Enzym heißt RiBP-Oxygenase. Sauerstoff ist ein kompetitiver Inhibitor der Kohlendioxidfixierung. Die Phosphatgruppe wird abgespalten und das Phosphoglykolat wird zu Glykolat, das die Pflanze verwerten muss. Es gelangt in Peroxisomen und wird dort zu Glycin oxidiert. Glycin gelangt in die Mitochondrien, wo es zu Serin oxidiert wird, wobei bereits fixierter Kohlenstoff in Form von CO 2 verloren geht. Dadurch werden zwei Glykolatmoleküle (2C + 2C) in ein PGA (3C) und CO 2 umgewandelt. Photorespiration führt zu einem Ertragsrückgang von C3-Pflanzen um 30-40 % ( Mit 3 Pflanzen- Pflanzen, die durch C 3 -Photosynthese gekennzeichnet sind).
Bei der C 4 -Photosynthese handelt es sich um eine Photosynthese, bei der das erste Produkt aus Verbindungen mit vier Kohlenstoffatomen (C 4) besteht. Im Jahr 1965 wurde festgestellt, dass in einigen Pflanzen (Zuckerrohr, Mais, Sorghum, Hirse) die ersten Produkte der Photosynthese Säuren mit vier Kohlenstoffatomen sind. Diese Pflanzen wurden genannt Mit 4 Pflanzen. 1966 zeigten die australischen Wissenschaftler Hatch und Slack, dass C4-Pflanzen praktisch keine Photorespiration haben und Kohlendioxid viel effizienter absorbieren. Der Weg der Kohlenstoffumwandlungen in C 4 -Pflanzen wurde benannt von Hatch-Slack.
C 4 -Pflanzen zeichnen sich durch eine besondere anatomische Struktur des Blattes aus. Alle Leitbündel sind von einer doppelten Zellschicht umgeben: Die äußere Schicht besteht aus Mesophyllzellen, die innere Schicht aus Hüllzellen. Kohlendioxid ist im Zytoplasma der Mesophyllzellen fixiert, der Akzeptor Phosphoenolpyruvat(PEP, 3C), durch Carboxylierung von PEP entsteht Oxalacetat (4C). Der Prozess wird katalysiert PEP-Carboxylase. Im Gegensatz zu RiBP-Carboxylase hat PEP-Carboxylase eine größere Affinität zu CO 2 und interagiert, was am wichtigsten ist, nicht mit O 2 . Mesophyll-Chloroplasten haben viele Körner, in denen aktiv Lichtphasenreaktionen ablaufen. In den Chloroplasten der Hüllzellen treten Dunkelphasenreaktionen auf.
Oxalacetat (4C) wird in Malat umgewandelt, das durch Plasmodesmen in die Hüllzellen transportiert wird. Hier wird es zu Pyruvat, CO 2 und NADPH 2 decarboxyliert und dehydriert.
Pyruvat kehrt zu den Mesophyllzellen zurück und wird mithilfe der Energie von ATP in PEP regeneriert. CO 2 wird erneut durch RiBP-Carboxylase fixiert, um PGA zu bilden. Die PEP-Regeneration erfordert ATP-Energie und benötigt daher fast doppelt so viel Energie wie die C3-Photosynthese.
Die Bedeutung der Photosynthese
Dank der Photosynthese werden jedes Jahr Milliarden Tonnen Kohlendioxid aus der Atmosphäre absorbiert und Milliarden Tonnen Sauerstoff freigesetzt; Die Photosynthese ist die Hauptquelle für die Bildung organischer Substanzen. Sauerstoff bildet die Ozonschicht, die lebende Organismen vor kurzwelliger ultravioletter Strahlung schützt.
Während der Photosynthese verbraucht ein grünes Blatt nur etwa 1 % der auf es einfallenden Sonnenenergie; die Produktivität beträgt etwa 1 g organisches Material pro 1 m2 Oberfläche und Stunde.
Chemosynthese
Man bezeichnet die Synthese organischer Verbindungen aus Kohlendioxid und Wasser, die nicht aufgrund der Energie des Lichts, sondern aufgrund der Oxidationsenergie anorganischer Substanzen erfolgt Chemosynthese. Zu den chemosynthetischen Organismen gehören einige Arten von Bakterien.
Nitrifizierende Bakterien Ammoniak wird zu salpetriger und dann zu Salpetersäure oxidiert (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).
Eisenbakterien Eisenoxid in Eisenoxid umwandeln (Fe 2+ → Fe 3+).
Schwefelbakterien oxidieren Schwefelwasserstoff zu Schwefel oder Schwefelsäure (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).
Durch Oxidationsreaktionen anorganischer Stoffe wird Energie freigesetzt, die von Bakterien in Form energiereicher ATP-Bindungen gespeichert wird. ATP wird für die Synthese organischer Substanzen verwendet, die ähnlich wie die Reaktionen der Dunkelphase der Photosynthese abläuft.
Chemosynthetische Bakterien tragen zur Anreicherung von Mineralien im Boden bei, verbessern die Bodenfruchtbarkeit und fördern die Reinigung Abwasser usw.
Gehe zu Vorträge Nr. 11„Das Konzept des Stoffwechsels. Biosynthese von Proteinen“
Gehe zu Vorträge Nr. 13„Methoden der Teilung eukaryontischer Zellen: Mitose, Meiose, Amitose“
Wie lässt sich ein so komplexer Prozess wie die Photosynthese kurz und anschaulich erklären? Pflanzen sind die einzigen Lebewesen, die ihre Nahrung selbst produzieren können. Wie machen Sie das? Für Wachstum und alles bekommen notwendige Stoffe aus Umfeld: Kohlendioxid – aus der Luft, dem Wasser und – aus dem Boden. Außerdem benötigen sie Energie, die sie aus den Sonnenstrahlen gewinnen. Diese Energie löst bestimmte chemische Reaktionen aus, bei denen Kohlendioxid und Wasser in Glukose (Nahrung) umgewandelt werden und Photosynthese betreiben. Das Wesentliche des Prozesses lässt sich auch schulpflichtigen Kindern kurz und anschaulich erklären.
„Zusammen mit dem Licht“
Das Wort „Photosynthese“ kommt von zwei griechischen Wörtern – „Foto“ und „Synthese“, deren Kombination „zusammen mit Licht“ bedeutet. Die Sonnenenergie wird in chemische Energie umgewandelt. Chemische Gleichung der Photosynthese:
6CO 2 + 12H 2 O + Licht = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.
Das bedeutet, dass 6 Moleküle Kohlendioxid und zwölf Moleküle Wasser (zusammen mit Sonnenlicht) zur Herstellung von Glukose verwendet werden, was zu sechs Molekülen Sauerstoff und sechs Molekülen Wasser führt. Stellt man dies als verbale Gleichung dar, erhält man Folgendes:
Wasser + Sonne => Glukose + Sauerstoff + Wasser.
Die Sonne ist eine sehr starke Energiequelle. Menschen versuchen immer, damit Strom zu erzeugen, Häuser zu isolieren, Wasser zu erhitzen usw. Pflanzen haben vor Millionen von Jahren „herausgefunden“, wie sie Sonnenenergie nutzen können, weil sie für ihr Überleben notwendig war. Die Photosynthese lässt sich kurz und anschaulich so erklären: Pflanzen nutzen die Lichtenergie der Sonne und wandeln sie in chemische Energie um. Dabei entsteht Zucker (Glukose), dessen Überschuss als Stärke in den Blättern, Wurzeln und Stängeln gespeichert wird und Samen der Pflanze. Die Energie der Sonne wird auf Pflanzen sowie auf die Tiere übertragen, die diese Pflanzen fressen. Wenn eine Pflanze Nährstoffe für ihr Wachstum und andere Lebensprozesse benötigt, sind diese Reserven sehr nützlich.
Wie absorbieren Pflanzen Energie aus der Sonne?
Wenn man kurz und deutlich über die Photosynthese spricht, lohnt es sich, sich mit der Frage zu befassen, wie Pflanzen es schaffen, Sonnenenergie zu absorbieren. Dies liegt an der besonderen Struktur der Blätter, zu denen grüne Zellen gehören – Chloroplasten, die eine spezielle Substanz namens Chlorophyll enthalten. Das ist es, was die Blätter hervorbringen grüne Farbe und ist für die Aufnahme der Energie aus dem Sonnenlicht verantwortlich.
Warum sind die meisten Blätter breit und flach?
Die Photosynthese findet in den Blättern von Pflanzen statt. Erstaunliche Tatsache ist, dass Pflanzen sehr gut daran angepasst sind, Sonnenlicht einzufangen und Kohlendioxid zu absorbieren. Dank der breiten Oberfläche wird viel mehr Licht eingefangen. Aus diesem Grund sind auch Sonnenkollektoren, die manchmal auf Hausdächern installiert werden, breit und flach. Je größer die Oberfläche, desto besser ist die Absorption.
Was ist für Pflanzen sonst noch wichtig?
Wie Menschen benötigen auch Pflanzen nützliche Nährstoffe, um gesund zu bleiben, zu wachsen und ihre lebenswichtigen Funktionen gut zu erfüllen. Über ihre Wurzeln nehmen sie im Wasser gelöste Mineralien aus dem Boden auf. Fehlen dem Boden mineralische Nährstoffe, entwickelt sich die Pflanze nicht normal. Landwirte testen häufig den Boden, um sicherzustellen, dass er genügend Nährstoffe für das Wachstum der Pflanzen enthält. Andernfalls greifen Sie auf Düngemittel zurück, die essentielle Mineralien für die Ernährung und das Wachstum der Pflanzen enthalten.
Warum ist Photosynthese so wichtig?
Um Kindern die Photosynthese kurz und anschaulich zu erklären, ist es erwähnenswert, dass es sich bei diesem Prozess um eine der wichtigsten chemischen Reaktionen der Welt handelt. Welche Gründe gibt es für eine so laute Aussage? Erstens ernährt die Photosynthese Pflanzen, die wiederum alle anderen Lebewesen auf dem Planeten ernähren, einschließlich Tiere und Menschen. Zweitens wird durch die Photosynthese der für die Atmung notwendige Sauerstoff in die Atmosphäre freigesetzt. Alle Lebewesen atmen Sauerstoff ein und Kohlendioxid aus. Glücklicherweise bewirken Pflanzen das Gegenteil und sind daher für Mensch und Tier sehr wichtig, da sie ihnen die Fähigkeit zum Atmen verleihen.
Erstaunlicher Prozess
Es stellt sich heraus, dass Pflanzen auch atmen können, aber im Gegensatz zu Menschen und Tieren nehmen sie Kohlendioxid aus der Luft auf, nicht Sauerstoff. Auch Pflanzen trinken. Deshalb muss man sie gießen, sonst sterben sie. Mit Hilfe des Wurzelsystems werden Wasser und Nährstoffe in alle Teile des Pflanzenkörpers transportiert und Kohlendioxid wird durch kleine Löcher in den Blättern aufgenommen. Auslöser zum Starten chemische Reaktion ist Sonnenlicht. Alle gewonnenen Stoffwechselprodukte werden von Pflanzen zur Ernährung genutzt, Sauerstoff wird an die Atmosphäre abgegeben. So können Sie kurz und anschaulich erklären, wie der Prozess der Photosynthese abläuft.
Photosynthese: helle und dunkle Phasen der Photosynthese
Der betrachtete Prozess besteht aus zwei Hauptteilen. Es gibt zwei Phasen der Photosynthese (Beschreibung und Tabelle unten). Die erste wird als Lichtphase bezeichnet. Es kommt nur in Gegenwart von Licht in Thylakoidmembranen unter Beteiligung von Chlorophyll, Elektronentransportproteinen und dem Enzym ATP-Synthetase vor. Was verbirgt sich sonst noch hinter der Photosynthese? Leuchten und ersetzen sich gegenseitig im Verlauf von Tag und Nacht (Calvin-Zyklen). Während der Dunkelphase erfolgt die Produktion derselben Glukose, der Nahrung für Pflanzen. Dieser Vorgang wird auch als lichtunabhängige Reaktion bezeichnet.
| Lichtphase | Dunkle Phase |
1. Reaktionen in Chloroplasten sind nur in Gegenwart von Licht möglich. Bei diesen Reaktionen wird Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt 2. Chlorophyll und andere Pigmente absorbieren Energie aus dem Sonnenlicht. Diese Energie wird auf die Photosysteme übertragen, die für die Photosynthese verantwortlich sind 3. Wasser wird für Elektronen und Wasserstoffionen benötigt und ist auch an der Produktion von Sauerstoff beteiligt 4. Elektronen und Wasserstoffionen werden verwendet, um ATP (Energiespeichermolekül) zu erzeugen, das in der nächsten Phase der Photosynthese benötigt wird | 1. Im Stroma von Chloroplasten treten Reaktionen des Extralichtzyklus auf 2. Kohlendioxid und Energie aus ATP werden in Form von Glukose genutzt |
Abschluss
Aus all dem lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:
- Photosynthese ist ein Prozess, der Energie aus der Sonne erzeugt.
- Lichtenergie der Sonne wird durch Chlorophyll in chemische Energie umgewandelt.
- Chlorophyll verleiht Pflanzen ihre grüne Farbe.
- Die Photosynthese findet in den Chloroplasten pflanzlicher Blattzellen statt.
- Für die Photosynthese sind Kohlendioxid und Wasser notwendig.
- Kohlendioxid gelangt durch winzige Löcher und Stomata in die Pflanze und Sauerstoff tritt durch sie aus.
- Über die Wurzeln wird Wasser in die Pflanze aufgenommen.
- Ohne Photosynthese gäbe es keine Nahrung auf der Welt.
Es ist besser, einen so umfangreichen Stoff wie die Photosynthese in zwei Paarstunden zu erklären – dann geht die Integrität der Wahrnehmung des Themas nicht verloren. Die Lektion muss mit der Geschichte des Studiums der Photosynthese, der Struktur von Chloroplasten und Laborarbeiten zur Untersuchung von Blattchloroplasten beginnen. Danach ist es notwendig, mit der Untersuchung der Hell- und Dunkelphasen der Photosynthese fortzufahren. Um die in diesen Phasen ablaufenden Reaktionen zu erklären, ist es notwendig, ein allgemeines Diagramm zu erstellen:
Wie Sie erklären, müssen Sie zeichnen Diagramm der Lichtphase der Photosynthese.
1. Die Absorption eines Lichtquants durch ein Chlorophyllmolekül, das sich in den Grana-Thylakoid-Membranen befindet, führt zum Verlust eines Elektrons und überführt es in einen angeregten Zustand. Entlang der Elektronentransportkette werden Elektronen übertragen, was zur Reduktion von NADP + zu NADP H führt.
2. An die Stelle der freigesetzten Elektronen in Chlorophyllmolekülen treten die Elektronen von Wassermolekülen – auf diese Weise wird Wasser unter dem Einfluss von Licht zersetzt (Photolyse). Die entstehenden Hydroxylgruppen OH– werden zu Radikalen und verbinden sich in der Reaktion 4 OH – → 2 H 2 O +O 2, was zur Freisetzung von freiem Sauerstoff in die Atmosphäre führt.
3. Wasserstoffionen H+ dringen nicht in die Thylakoidmembran ein und sammeln sich im Inneren an, wodurch sie positiv aufgeladen wird, was zu einer Vergrößerung der Differenz führt elektrische Potentiale(REP) auf der Thylakoidmembran.
4. Wenn der kritische REF erreicht ist, strömen Protonen durch den Protonenkanal heraus. Dieser Strom positiv geladener Teilchen wird mithilfe eines speziellen Enzymkomplexes zur Erzeugung chemischer Energie genutzt. Die resultierenden ATP-Moleküle wandern in das Stroma, wo sie an Kohlenstofffixierungsreaktionen teilnehmen.
5. An die Oberfläche der Thylakoidmembran abgegebene Wasserstoffionen verbinden sich mit Elektronen und bilden atomaren Wasserstoff, der zur Wiederherstellung des NADP+-Transporters verwendet wird.
Sponsor des Artikels ist die Aris-Unternehmensgruppe. Herstellung, Verkauf und Vermietung von Gerüsten (Rahmenfassade LRSP, Rahmenhochhaus A-48 usw.) und Türmen (PSRV „Aris“, PSRV „Aris kompakt“ und „Aris-dacha“, Plattformen). Klammern für Gerüste, Bauzäune, Radstützen für Türme. Weitere Informationen über das Unternehmen, den Produktkatalog und die Preise sowie Kontakte finden Sie auf der Website unter: http://www.scaffolder.ru/.
Nachdem wir uns mit diesem Thema befasst und es erneut anhand des Diagramms analysiert haben, laden wir die Schüler ein, die Tabelle auszufüllen.
Tisch. Reaktionen der hellen und dunklen Phasen der Photosynthese
Nachdem Sie den ersten Teil der Tabelle ausgefüllt haben, können Sie mit der Analyse fortfahren dunkle Phase der Photosynthese.
Im Stroma des Chloroplasten sind ständig Pentosen vorhanden – Kohlenhydrate, bei denen es sich um Fünf-Kohlenstoff-Verbindungen handelt, die im Calvin-Zyklus (Kohlendioxid-Fixierungszyklus) gebildet werden.
1. Kohlendioxid wird zu Pentose hinzugefügt und bildet eine instabile Verbindung mit sechs Kohlenstoffatomen, die in zwei Moleküle 3-Phosphoglycerinsäure (PGA) zerfällt.
2. PGA-Moleküle nehmen eine Phosphatgruppe von ATP auf und werden mit Energie angereichert.
3. Jedes der FHAs bindet ein Wasserstoffatom von zwei Trägern und wird so zu einer Triose. Triosen verbinden sich zu Glukose und dann zu Stärke.
4. Triose-Moleküle, die sich in unterschiedlichen Kombinationen verbinden, bilden Pentosen und werden wieder in den Kreislauf einbezogen.
Gesamtreaktion der Photosynthese:
Planen. Photosyntheseprozess
Prüfen
1. Die Photosynthese findet in Organellen statt:
a) Mitochondrien;
b) Ribosomen;
c) Chloroplasten;
d) Chromoplasten.
2. Das Chlorophyllpigment ist konzentriert in:
a) Chloroplastenmembran;
b) Stroma;
c) Körner.
3. Chlorophyll absorbiert Licht im Bereich des Spektrums:
a) rot;
b) grün;
c) lila;
d) in der gesamten Region.
4. Freier Sauerstoff wird bei der Photosynthese freigesetzt beim Abbau von:
a) Kohlendioxid;
b) ATP;
c) NADP;
d) Wasser.
5. Freier Sauerstoff entsteht in:
a) Dunkelphase;
b) Lichtphase.
6. In der Lichtphase der Photosynthese ist ATP:
a) synthetisiert;
b) spaltet sich.
7. Im Chloroplasten wird das primäre Kohlenhydrat gebildet in:
a) Lichtphase;
b) Dunkelphase.
8. NADP im Chloroplasten ist notwendig:
1) als Falle für Elektronen;
2) als Enzym zur Stärkebildung;
3) wie Komponente Chloroplastenmembranen;
4) als Enzym zur Photolyse von Wasser.
9. Photolyse von Wasser ist:
1) Ansammlung von Wasser unter Lichteinfluss;
2) Dissoziation von Wasser in Ionen unter Lichteinfluss;
3) Freisetzung von Wasserdampf durch Spaltöffnungen;
4) Injektion von Wasser in die Blätter unter Lichteinfluss.
10. Unter dem Einfluss von Lichtquanten:
1) Chlorophyll wird in NADP umgewandelt;
2) ein Elektron verlässt das Chlorophyllmolekül;
3) der Chloroplast nimmt an Volumen zu;
4) Chlorophyll wird in ATP umgewandelt.
LITERATUR
Bogdanova T.P., Solodova E.A. Biologie. Handbuch für Oberstufenschüler und Studienanfänger. – M.: LLC „AST-Press School“, 2007.
