Уравнение фотолиза воды при фотосинтезе (2 видео)

Фотосинтез

Содержание

Фотолиз воды при фотосинтезе
Фотолиз воды
Химические основы фотолиза воды
Готовые работы на аналогичную тему
Фотолиз воды при фотосинтезе и его химические основы
Фотолиз воды при фотосинтезе
Химические основы фотолиза воды
Пигменты фотосинтеза
Фазы фотосинтеза кратко
🌟 Видео

Типы питания

По типу питания живые организмы делятся на автотрофы, гетеротрофы и миксотрофы. Автотрофы (греч. αὐτός — сам + τροφ — пища) — организмы, которые самостоятельно способны синтезировать органические вещества из неорганических. Гетеротрофы (греч. ἕτερος — иной + τροφή — пища) — организмы, использующие для питания готовые органические вещества.

Наконец, миксотрофы (греч. μῖξις — смешение + τροφή — пища) — организмы, которые могут использовать как гетеротрофный, так и автотрофный способ питания. К примеру, эвглена зеленая на свету начинает фотосинтезировать, а в темноте питается гетеротрофно.

Фотосинтез

Фотосинтез (греч. φῶς — свет и σύνθεσις — синтез) — сложный химический процесс преобразования энергии квантов света в энергию химических связей. В результате фотосинтеза происходит синтез органических веществ из неорганических.

Этот процесс уникален и происходит только в растительных клетках, а также у некоторых бактерий. Фотосинтез осуществляется при участии хлорофилла (греч. χλωρός — зелёный и φύλλον — лист) — зеленого пигмента, окрашивающего органы растений в зеленый цвет. Существуют и другие вспомогательные пигменты, которые вместе с хлорофиллом выполняют светособирающую или светозащитную функции.

Ниже вы увидите сравнение строения хлорофилла и гемоглобина. Обратите внимание, что в центре молекулы хлорофилла находится ион Mg.

В высшей степени гениально значение процесса фотосинтеза подчеркнул русский ученый К.А. Тимирязев: «Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического»

Более подробно мы обсудим значение фотосинтеза в завершение этой статьи. Фотосинтез состоит из двух фаз: светозависимой (световой) и светонезависимой (темновой). Я рекомендую использовать названия светозависимая и светонезависимая, так как они способствуют более глубокому (и правильному!) пониманию фотосинтеза.

Светозависимая фаза (световая)

Эта фаза происходит только на свету на мембранах тилакоидов в хлоропластах. В ней принимают участие различные ферменты, белки-переносчики, молекулы АТФ-синтетазы и зеленый пигмент хлорофилл.

Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии. При воздействии кванта света хлорофилл теряет электрон, переходя в возбужденное состояние. С помощью переносчиков электроны скапливаются с наружной поверхности мембраны тилакоидов, тем временем внутри тилакоида происходит фотолиз воды (разложение под действием света):

Гидроксид-ионы отдают лишний электрон, превращаясь в реакционно способные радикалы OH, которые собираются вместе и образуют молекулу воды и свободный кислород (это побочный продукт, который в дальнейшем удаляется в ходе газообмена).

Образовавшиеся при фотолизе воды протоны (H + ) скапливаются с внутренней стороны мембраны тилакоидов, а электроны — с внешней. В результате по обе стороны мембраны накапливаются противоположные заряды.

При достижении критической разницы, часть протонов проталкивается на внешнюю сторону мембраны через канал АТФ-синтетазы. В результате этого выделяется энергия, которая может быть использована для фосфорилирования молекул АДФ:

Протоны, попав на поверхность мембраны тилакоидов, соединяются с электронами и образуют атомарный водород, который используется для восстановления молекулы-переносчика НАДФ (никотинамиддинуклеотидфосфат). Благодаря этому окисленная форма — НАФД + превращается в восстановленную — НАДФ∗H₂.

Предлагаю создать квинтэссенцию из полученных нами знаний. Итак, в результате светозависимой фазы фотосинтеза образуются:

Свободный кислород O₂ — в результате фотолиза воды
АТФ — универсальный источник энергии
НАДФ∗H₂ — форма запасания атомов водорода

Кислород удаляется из клетки как побочный продукт фотосинтеза, он совершенно не нужен растению. АТФ и НАДФ∗H₂ в дальнейшем оказываются более полезны: они транспортируются в строму хлоропласта и принимают участие в светонезависимой фазе фотосинтеза.

Светонезависимая (темновая) фаза

Светонезависимая фаза происходит в строме (матриксе) хлоропласта постоянно: и днем, и ночью — вне зависимости от освещения.

При участии АТФ и НАДФ∗H₂ происходит восстановление CO₂ до глюкозы C₆H₁₂O₆. В светонезависимой фазе происходит цикл Кальвина, в ходе которого и образуется глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы требуется 6 молекул CO₂, 12 НАДФ∗H₂ и 18 АТФ.

Таким образом, в результате темновой (светонезависимой) фазы фотосинтеза образуется глюкоза, которая в дальнейшем может быть преобразована в крахмал, служащий для запасания питательных веществ у растений.

Значение фотосинтеза

Значение фотосинтеза невозможно переоценить. Уверенно утверждаю: именно благодаря этому процессу жизнь на Земле приобрела такие чудесные и изумительные формы, какие мы видим вокруг себя: удивительные растения, прекрасные цветы и самые разнообразные животные.

В разделе эволюции мы уже обсуждали, что изначально в составе атмосферы Земли не было кислорода: миллиарды лет назад его начали вырабатывать первые фотосинтезирующие бактерии — сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Постепенно кислород накапливался, и со временем на Земле стало возможно аэробное (кислородное) дыхание. Возник озоновый слой, защищающий все живое на нашей планете от губительного ультрафиолета.

Говоря о роли фотосинтеза, выделим следующие функции, объединяющиеся в так называемую космическую роль растений. Итак, растения за счет фотосинтеза:

Синтезируют органические вещества, являющиеся пищей для всего живого на планете
Преобразуют энергию света в энергию химических связей, создают органическую массу
Растения поддерживают определенный процент содержания O₂ в атмосфере, очищают ее от избытка CO₂
Способствуют образованию защитного озонового экрана, поглощающего губительное для жизни ультрафиолетовое излучение

Хемосинтез (греч. chemeia – химия + synthesis — синтез)

Хемосинтез — автотрофный тип питания, который характерен для некоторых микроорганизмов, способных создавать органические вещества из неорганических. Это осуществляется за счет энергии, получаемой при окислении других неорганических соединений (железо- , азото-, серосодержащих веществ).

Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским в 1888 году. Большинство хемосинтезирующих бактерий относится к аэробам, для жизни им необходим кислород.

При окислении неорганических веществ выделяется энергия, которую организмы запасают в виде энергии химических связей. Так нитрифицирующие бактерии последовательно окисляют аммиак до нитрита, а затем — нитрата. Нитраты могут быть усвоены растениями и служат удобрением.

Помимо нитрифицирующих бактерий, встречаются:

Серобактерии — окисляют H₂S —> S 0 —> (S +4 O₃) 2- —> (S +6 O₄) 2-
Железобактерии — окисляют Fe +2 —>Fe +3
Водородные бактерии — окисляют H₂ —> H +1 ₂O
Карбоксидобактерии — окисляют CO до CO₂

Значение хемосинтеза

Хемосинтезирующие бактерии являются неотъемлемым звеном круговорота в природе таких элементов как: азот, сера, железо.

Нитрифицирующие бактерии обеспечивают переработку (нейтрализацию) ядовитого вещества — аммиака. Они также обогащают почву нитратами, которые очень важны для нормального роста и развития растений.

Усвоение нитратов происходит за счет клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений, однако важно помнить, что клубеньковые (азотфиксирующие) бактерии, в отличие от нитрифицирующих бактерий, питаются гетеротрофно.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Видео:Фотосинтез у растений | самое простое объяснениеСкачать

Фотолиз воды при фотосинтезе

Вы будете перенаправлены на Автор24

Фотолиз воды – это процесс распада молекулы воды в световой фазе фотосинтеза.

Видео:Световая фаза фотосинтеза. Фотофосфорилирование. 11 класс.Скачать

Фотолиз воды

Фотосинтез – это процесс синтеза органических веществ из неорганических с использованием энергии солнечного света.

Первые опыты по установлению физиологических основ фотосинтеза проводились Дж. Пристли в 18 веке. Он обратил внимание на порчу воздуха внутри герметичного сосуда с горящей свечой. При этом воздух терял способность поддерживать горение, а животные, помещенные в него, очень быстро задыхались. Такую ситуацию были способны исправить растения. Ученый пришел к выводу о том, что именно они формируют кислород, поддерживающий процесс дыхания и горения.

Фототрофы – это организмы, которые способны к фотосинтезу.

Также в природе существуют такие организмы, как хемотрофы, которые тоже могут образовывать органическое вещество, но при этом источником энергии для осуществления данного процесса будут выступать химические связи, а не кислород.

Большинство растений являются именно автотрофами, поскольку в их клетках содержаться различные фотосинтетические пигменты.

Видео:ФОТОСИНТЕЗ: процесс, световая и темновая фаза | ЕГЭ биологияСкачать

Химические основы фотолиза воды

Все фотосинтетические пигменты делятся на:

Пигменты поглощают свет и преобразуют его из солнечной энергии в химическую. Пигменты локализованы в мембранах хлоропластов.

Хлорофилл содержится внутри хлоропластов на мембранах тилакоидов. Растение имеет зеленую окраску именно благодаря хлорофиллу. По своему химическому строению хлорофилл достаточно близок к гемоглобину крови. Его основой также является порфириновое кольцо, в центре которого находится магний. Хлорофилл может поглощать энергию солнечного света при этом переходя в возбужденное состояние.

Готовые работы на аналогичную тему

Хлорофилл a представляет собой единственный пигмент, который имеет центральное значение в фотосинтезе.

Процесс фотосинтеза включает в себя две фазы:

световая фаза, которая происходит на свету на мембранах тилакоидов, составляющих граны;
темновая фаза, которая может происходить без участия солнечного света в строме хлоропласта, но она всегда регулируется световыми потоками.

Световая фаза фотосинтеза базируется на том, что в хлоропластах содержится большое количество молекул хлорофилла. Но при этом процесс происходит в 1 % молекулы хлорофилла. Другие молекулы образуют антенные светособирающие комплексы. Они поглощают кванты света и передают возбуждение в реакционные центры. Такие центры представлены в фотосистеме I и фотосистеме II. В них имеются особые молекулы хлорофилла: соответственно, в фотосистеме II — P680, а в фотосистеме I — P700. Они поглощают свет именно такой длины волны (680 и 700 нм). Молекулы хлорофилла обеих фотосистем поглощают кванты света. При этом один электрон каждой из фотосистем переходит на более высокий энергетический уровень.

В возбужденном состоянии все электроны обладают очень высокой степенью энергии. Они отрываются и транслируются в особенную сеть переносчиков на мембраны тилакоидов. При этом молекулы НАДФ+, превращая их в восстановленный НАДФ. Этот процесс заключается в преобразовании энергии света в энергию восстановленного переносчика. На месте молекул хлорофилла при этом образуется пространство с положительным зарядом.

Роль фотосистемы I заключается в восполнении потери электронов через систему переносчиков электронов фотосистемы II. Фотосистема II, в свою очередь забирает электрон у воды, запуская ее фотолиз.

Фотолиз воды – это процесс распада молекулы воды, который происходит под действием солнечного света. При этом в атмосферу выделяется большое количество кислорода, который рассеивается в ней.

Протоны водорода, которые образуются при фотолизе воды переносятся в полость тилакоида. Там накапливается достаточно большой избыток ионов водорода, что приводит к созданию на мембране тилакоида крутого градиента концентрации накопленных ионов. Он используется ферментом АТФ-синтетазой для синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Также происходит перенос ионов водорода сквозь мембрану с образованием НАДФ*Н.

Таким образом, энергия света запасается именно в световой фазе в виде восстановленного переносчика НАДФ*Н и макроэргического соединения АТФ. Роль световой фазы фотосинтеза можно выразить в следующих тенденциях:

обеспечение переноса протонов водорода через систему переносчиков с образованием и запасанием энергии АТФ;
формирование НАДФ*Н;
выделение в атмосферу необходимой порции кислорода . Что касается темновой фазы фотосинтеза, то ее обязательными компонентами являются АТФ и НАДФ*Н (из световой фазы), углекислый газ (из атмосферы) и вода. Таким образом, можно сделать вывод о том, что фотолиз воды является реакцией, которая поставляет компоненты для темновой фазы. Эта часть фотосинтеза происходит в строме хлоропласта. Фотолиз воды при этом становится источником кислорода, который достаточно быстро поступает в атмосферу.

Темновая фаза характеризуется участием АТФ и НАДФ, при этом происходит процесс восстановления глюкозы. Для этого процесса не требуется свет, но он участвует в регуляции этапов. Поскольку растение поглощает углекислый газ из атмосферы, то устьица покровной ткани открываются, и он свободно поступает внутрь листа. Кислород растворяется в воде и восстанавливается до глюкозы при участии НАДФ и АТФ.

Если формируется избыток глюкозы, то он откладывается в виде запасного – питательного вещества – крахмала. В виде этого сложного углевода накапливается энергия. Только небольшая часть этих молекул остается в листе и обслуживает его нужды. Остальные углеводы по проводящей ткани растения (ситовидным трубкам) путешествуют по растительному организму.

Таким образом, фотосинтез является основным источников кислорода на земле. Именно реакция фотолиза воды дает возможность образовываться большому количеству кислорода, который обеспечивает жизнедеятельность всех живых организмов. До появления фотосинтетических организмов такого газа на Земле не существовало.

Видео:Биология 9 класс (Урок№11 - Фотосинтез.)Скачать

Фотолиз воды при фотосинтезе и его химические основы

Видео:Фотосинтез за 10 минут | ЕГЭ по биологииСкачать

Фотолиз воды при фотосинтезе

Что такое фотолиз воды?

Фотолиз воды — это процесс распада молекулы воды, которая происходит в световой фазе фотосинтеза.

Фотосинтез представляет собой процесс синтеза органических веществ из неорганических при помощи энергии солнечного света.

Первым, кто изучал физиологические основы фотосинтеза, был Дж. Пристли — ученый делал это в 18 веке. А именно, его заинтересовала порча воздуха внутри герметичного сосуда с горящей свечой. В таких обстоятельствах воздух не мог поддерживать процесс горения, а животные, которые в нем находились, погибали. Но растения, как оказалось, могли исправить эту ситуацию.

Ученый выяснил, что растения — важный источник кислорода, который поддерживает такие процессы как дыхание и горение.

Фототрофы являются организмами, обладающими способностью осуществлять фотосинтез.

Есть еще хемотрофы: они тоже образуют органическое вещество. Но в отличие от фототрофов, в качестве источника энергии для этого процесса выступает не кислород, а химические связи.

Почти все растения — автотрофы: их клетки содержат различные фотосинтетические пигменты.

Видео:Фотосинтез за 6 минут (даже меньше)Скачать

Химические основы фотолиза воды

Пигменты фотосинтеза

Существует 2 группы фотосинтетических пигментов:

Пигменты отвечают за поглощение солнечного света и преобразование солнечной энергии в химическую. Локализация пигментов — мембраны хлоропластов.

Внутри хлоропластов на мембраных тилакоидов находится хлорофилл. За счет этого пигмента растение и имеет зеленый цвет. Хлорофилл по своему химическому строению близок к гемоглобину крови. В его основе — порфириновое кольцо с магнием в центре. Хлорофиллу свойственно поглощение солнечного света с одновременным переходом в возбужденное состояние.

Именно хлорофилл — единственный пигмент, играющий главную роль в процессе фотосинтеза.

Фазы фотосинтеза кратко

Фотосинтез состоит из 2 фаз:

Световой фазы. Она осуществляется на свету на мембранах тилакоидов, которые составляют граны.
Темновой фазы. Она происходит при отсутствии солнечного света в строме хлоропласта, но при этом ее регулируют световые потоки.

Если говорить кратко о световой фазе фотосинтеза, то в ее основе — содержание в хлоропластах огромного числа молекул хлорофилла. Интересно, что сам процесс осуществляется в 1% молекулы хлорофилла. С помощью прочих молекул происходит образование антенных светособирающих комплексов: они отвечают за поглощение квантов света и передачу возбуждения в реакционные центры.

Такого рода центры есть в фотосистеме I и фотосистеме II. В этих системах есть особые молекулы хлорофилла: в первом случае — P700, а во втором — Р680. Такое обозначение связано, в первую очередь, с поглощением света соответствующей длины: 700 и 680 нм.

Молекулы хлорофилла в обеих системах поглощают кванты света. При этом в каждой фотосистеме один электрон осуществляет переход на более высокий энергетический уровень.

Все электроны в возбужденном состоянии отличаются высокой степенью энергии. Происходит их отрыв и трансляция в особенную сеть переносчиков на мембраны тилакоидов. Молекулы НАДФ+ при этом превращаются в восстановленный НАДФ.

В основе процесса — преобразование энергии света в энергию восстановленного переносчика. Происходит образование пространства с положительным зарядом — на месте молекул хлорофилла.

У обеих фотосистем есть свои задачи:

первая отвечает за восполнение потери электронов через систему переносчиков электронов фотосистемы II;
вторая отнимает электрон у воды и запускает ее фотолиз.

Определение 4

Фотолиз — это процесс распада молекулы воды, происходящий в результате воздействия солнечного света.

Этот процесс сопровождается выбросом в атмосферу большого количества кислорода, который в дальнейшем в ней рассеивается.

В ходе фотолиза образуются протоны водорода — они переносятся в полость тилакоида и, накапливаясь, образуют избыток ионов водорода. Это приводит к созданию на мембране тилакоида крутого градиента концентрации накопленных ионов. Также избыток ионов водорода используется АТФ-синтетазой для синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Ионы водорода переносятся сквозь мембрану — процесс сопровождается образованием НАДФ*Н.

Можно сделать вывод, что запасание энергии света происходит в световой фазе в виде восстановленного переносчика НАДФ*Н и макроэргического соединения АТФ.

С помощью световой фазы удается:

обеспечить перенос протонов водорода через систему переносчиков. При этом происходит образование и запасание энергии АТФ;
сформировать НАДФ*Н;
выделить в атмосферу определенное количество кислорода.

Замечание 3

Если говорить об обязательных компонентах темновой фазы, то ими являются АТФ и НАДФ*Н (из световой фазы), углекислый газ, взятый из атмосферы, вода.

Из всего написанного выше следует, что фотолиз воды — это реакция, поставляющая компоненты для темновой фазы, которая происходит в строме хлоропласта. Фотолиз воды — источник кислорода, быстро поступающего в атмосферу.

В темновой фазе участвуют АТФ и НАДФ, а также происходит восстановление глюкозы. Этот процесс не нуждается в свете, хотя он принимает участие в регуляции этапов. Растение поглощает углекислый газ из атмосферы: устьица покровной ткани открываются и газ получает доступ внутрь листа. Растворение кислорода в воде и восстановление до глюкозы происходит при участии НАДФ и АТФ.

При образовании избытка глюкозы образуется и откладывается запасное питательное вещество — крахмал. В виде этого сложного углевода происходит накапливание энергии. Совсем немного этих молекул остается в листе и используется для его нужд. Все остальные углеводы распространяются по растению по проводящей ткани растения или ситовидным трубкам.

Фотосинтез — основной источник кислорода на нашей планете. При фотосинтезе кислород образуется в результате реакции фотолиза воды — его хватает для обеспечения жизнедеятельности всего живого. До появления фотосинтетических организмов этого газа на Земле не было.