Kas olete kunagi mõelnud, kui palju elusorganisme planeedil on?! Ja lõppude lõpuks peavad nad kõik hapnikku sisse hingama, et energiat genereerida ja süsinikdioksiidi välja hingata. Süsinikdioksiid on sellise nähtuse nagu ruumi ummistumine peamine põhjus. See toimub siis, kui selles on palju inimesi ja ruumi ei ventileerita pikka aega. Lisaks täidavad tööstusrajatised, eraautod ja ühistransport õhu mürgiste ainetega.
Eelnevat silmas pidades tekib täiesti loogiline küsimus: kuidas me siis ei lämbunud, kui kogu elu on mürgise süsihappegaasi allikas? Kõigi elusolendite päästja selles olukorras on fotosüntees. Mis see protsess on ja miks see vajalik on?
Selle tulemuseks on süsihappegaasi tasakaalu reguleerimine ja õhu küllastumine hapnikuga. Sellist protsessi teavad ainult taimestiku maailma esindajad, see tähendab taimed, kuna see toimub ainult nende rakkudes.
Fotosüntees ise on äärmiselt keeruline protseduur, mis sõltub teatud tingimustest ja toimub mitmesetapid.
Mõtete määratlus
Teadusliku määratluse kohaselt muutuvad orgaanilised ained fotosünteesi käigus orgaanilisteks aineteks autotroofsete organismide rakutasandil päikesevalguse toimel.
Lihtsam alt öeldes on fotosüntees protsess, mille käigus toimub järgmine:
- Taim on niiskusest küllastunud. Niiskuse allikaks võib olla vesi maapinnast või niiske troopiline õhk.
- Klorofüll (taimedes leiduv eriline aine) reageerib päikeseenergiale.
- Flora esindajatele vajaliku toidu moodustumine, mida nad heterotroofsel teel ise kätte ei saa, vaid ise on selle tootjad. Teisisõnu, taimed söövad seda, mida nad toodavad. See on fotosünteesi tulemus.
Esimene etapp
Praktiliselt iga taim sisaldab rohelist ainet, tänu millele suudab ta valgust neelata. See aine pole midagi muud kui klorofüll. Selle asukoht on kloroplastid. Kuid kloroplastid asuvad taime varreosas ja selle viljades. Kuid lehtede fotosüntees on looduses eriti levinud. Kuna viimane on oma ülesehituselt üsna lihtne ja suhteliselt suure pinnaga, siis päästeprotsessi kulgemiseks kuluv energiahulk on palju suurem.
Kui klorofüll neelab valgust, on viimane põnevil jaedastab energiateateid taime teistele orgaanilistele molekulidele. Suurim kogus sellist energiat läheb fotosünteesi protsessis osalejatele.
Teine etapp
Fotosünteesi moodustumine teises etapis ei nõua valguse kohustuslikku osalemist. See seisneb keemiliste sidemete moodustamises õhumassidest ja veest moodustunud mürgise süsinikdioksiidi abil. Samuti sünteesitakse paljusid aineid, mis tagavad taimestiku esindajate elutähtsa aktiivsuse. Need on tärklis, glükoos.
Taimedes toimivad sellised orgaanilised elemendid üksikute taimeosade toitumisallikana, tagades samas eluprotsesside normaalse kulgemise. Selliseid aineid saavad ka loomastiku esindajad, kes söövad taimi toiduks. Inimkeha küllastub nende ainetega toidu kaudu, mis sisaldub igapäevases toidus.
Mida? Kuhu? Millal?
Selleks, et orgaanilised ained muutuksid orgaanilisteks, on vaja luua sobivad tingimused fotosünteesiks. Vaadeldava protsessi jaoks on kõigepe alt vaja valgust. Me räägime kunstlikust ja päikesevalgusest. Looduses iseloomustab taimede tegevust tavaliselt intensiivsus kevadel ja suvel ehk siis, kui on vaja palju päikeseenergiat. Mida ei saa öelda sügishooaja kohta, kui valgust jääb järjest vähemaks, päev jääb lühemaks. Selle tulemusena muutub lehestik kollaseks ja kukub seejärel täielikult maha. Aga niipea, kui paistavad esimesed kevadised päikesekiired, tõuseb roheline muru, jätkavad nad kohe oma tegevust.klorofüllid ning algab hapniku ja muude elutähtsate toitainete aktiivne tootmine.
Fotosünteesi tingimused hõlmavad enamat kui lihts alt valgust. Niiskust peaks ka piisama. Lõppude lõpuks imab taim kõigepe alt niiskust ja seejärel algab reaktsioon päikeseenergia osalusel. Taimne toit on selle protsessi tulemus.
Fotosüntees toimub ainult rohelise aine juuresolekul. Mis on klorofüllid, oleme juba eespool öelnud. Nad toimivad omamoodi juhina valguse või päikeseenergia ja taime enda vahel, tagades nende elu ja tegevuse õige kulgemise. Rohelised ained suudavad neelata paljusid päikesekiiri.
Olulist rolli mängib ka hapnik. Fotosünteesiprotsessi õnnestumiseks vajavad taimed seda palju, kuna see sisaldab ainult 0,03% süsihapet. Nii et 20 000 m3 õhust saate 6 m3 hapet. Just viimane aine on peamine glükoosi lähtematerjal, mis omakorda on eluks vajalik aine.
Fotosünteesil on kaks etappi. Esimest nimetatakse heledaks, teist tumedaks.
Mis on valguslava voolu mehhanism
Fotosünteesi valgusfaasil on teine nimi – fotokeemiline. Peamised osalejad selles etapis on:
- päikeseenergia;
- erinevad pigmendid.
Esimese komponendiga on kõik selge, see on päikesevalgus. AGAneed on pigmendid, mitte kõik ei tea. Need on rohelised, kollased, punased või sinised. Rühma "A" ja "B" klorofüllid kuuluvad vastav alt rohelisele, fükobiliinid vastav alt kollasele ja punasele / sinisele. Protsessi selles etapis osalejate fotokeemilist aktiivsust näitavad ainult klorofüllid "A". Ülejäänud mängivad täiendavat rolli, mille põhiolemus on valguskvantide kogumine ja nende transportimine fotokeemilisse keskusesse.
Kuna klorofüllil on võime teatud lainepikkusel päikeseenergiat tõhus alt neelata, on tuvastatud järgmised fotokeemilised süsteemid:
- Fotokeemiline keskus 1 (A-rühma rohelised ained) - koostis sisaldab pigmenti 700, mis neelab valguskiiri, mille pikkus on ligikaudu 700 nm. Sellel pigmendil on oluline roll fotosünteesi valgusfaasi toodete loomisel.
- Fotokeemiline keskus 2 (rühma "B" rohelised ained) - koostis sisaldab pigmenti 680, mis neelab valguskiiri, mille pikkus on 680 nm. Tal on teisene roll, mis seisneb fotokeemilise tsentri 1 poolt kaotatud elektronide täiendamises. See saavutatakse tänu vedeliku hüdrolüüsile.
350–400 pigmendi molekuli puhul, mis koondavad valgusvoogusid fotosüsteemides 1 ja 2, on ainult üks pigmendi molekul, mis on fotokeemiliselt aktiivne – rühma “A” klorofüll.
Mis toimub?
1. Taime neeldunud valgusenergia mõjutab selles sisalduvat pigmenti 700, mis muutub normaalolekust ergastatud olekusse. Pigment kaotabelektron, mille tulemusena moodustub nn elektroni auk. Lisaks võib elektroni kaotanud pigmendimolekul toimida selle aktseptorina, st elektroni vastuvõtva poolena, ja taastada oma kuju.
2. Vedeliku lagunemise protsess fotosüsteemi 2 valgust neelava pigmendi 680 fotokeemilises keskmes. Vee lagunemisel tekivad elektronid, mis võetakse algselt vastu sellise ainega nagu tsütokroom C550 ja mida tähistatakse tähega Q. Seejärel, tsütokroomist sisenevad elektronid kandeahelasse ja transporditakse fotokeemilisse keskusesse 1, et täiendada elektronide auku, mis tekkis valguskvantide läbitungimise ja pigmendi 700 redutseerimisprotsessi tulemusena.
On juhtumeid, kui selline molekul saab tagasi eelmisega identse elektroni. Selle tulemuseks on valgusenergia vabanemine soojuse kujul. Kuid peaaegu alati ühineb negatiivse laenguga elektron spetsiaalsete raud-väävlivalkudega ja kandub mööda ühte ahelatest pigmendile 700 või siseneb teise kandeahelasse ja ühineb uuesti püsiva aktseptoriga.
Esimeses variandis on tsükliline suletud tüüpi elektronide transport, teises - mittetsükliline.
Mõlemat protsessi katalüüsib fotosünteesi esimeses etapis sama elektronikandjate ahel. Kuid tuleb märkida, et tsüklilise tüüpi fotofosforüülimise ajal on transpordi esialgne ja samal ajal lõpp-punkt klorofüll, samas kui mittetsükliline transport eeldab rühma "B" rohelise aine üleminekutklorofüll "A".
Tsüklilise transpordi omadused
Tsüklilist fosforüülimist nimetatakse ka fotosünteetiliseks. Selle protsessi tulemusena moodustuvad ATP molekulid. See transport põhineb ergastatud olekus elektronide tagasipöördumisel pigmendile 700 läbi mitme järjestikuse etapi, mille tulemusena vabaneb energia, mis osaleb fosforüüliva ensüümsüsteemi töös, et akumuleeruda ATP fosfaadis edasi. võlakirjad. See tähendab, et energia ei haju.
Tsükliline fosforüülimine on fotosünteesi esmane reaktsioon, mis põhineb kloroplasti tülaktoidide membraanipindadele päikesevalguse energia abil keemilise energia genereerimise tehnoloogial.
Ilma fotosünteetilise fosforüülimiseta on assimilatsioonireaktsioonid fotosünteesi pimedas faasis võimatud.
Mittetsüklilise tüübi transpordi nüansid
Protsess seisneb NADP+ taastamises ja NADPH moodustamises. Mehhanism põhineb elektroni ülekandel ferredoksiinile, selle redutseerimisreaktsioonil ja sellele järgneval üleminekul NADP+-le koos edasise redutseerimisega NADPH-ks.
Selle tulemusel taastuvad elektronid, mis kaotasid pigmendi 700, tänu vee elektronidele, mis fotosüsteemis valguskiirte toimel lagunevad 2.
Elektronide mittetsükliline tee, mille voog eeldab ka valguse fotosünteesi, toimub mõlema fotosüsteemi vastastikuse mõju kaudu, ühendades nende elektronide transpordiahelad. Helendavenergia suunab elektronide voolu tagasi. Transpordil fotokeemilisest tsentrist 1 keskusesse 2 kaotavad elektronid osa oma energiast, kuna need akumuleeruvad prootonipotentsiaalina tülaktoidide membraani pinnal.
Fotosünteesi pimedas faasis on elektronide transpordiahelas prootonitüüpi potentsiaali loomise protsess ja selle ärakasutamine ATP moodustamiseks kloroplastides peaaegu täielikult identne sama protsessiga mitokondrites. Kuid funktsioonid on endiselt olemas. Tülaktoidid on sellises olukorras pahupidi pööratud mitokondrid. See on peamine põhjus, miks elektronid ja prootonid liiguvad üle membraani mitokondriaalses membraanis toimuva transpordivoolu suhtes vastupidises suunas. Elektronid transporditakse väljapoole, prootonid aga kogunevad tülaktilise maatriksi sisemusse. Viimane võtab vastu ainult positiivse laengu ja tülaktoiidi välismembraan on negatiivne. Sellest järeldub, et prootoni tüüpi gradiendi tee on vastupidine selle teele mitokondrites.
Järgmist omadust võib nimetada prootonite potentsiaali suureks pH-tasemeks.
Kolmas omadus on vaid kahe konjugatsioonikoha olemasolu tülaktoidahelas ja selle tulemusena on ATP molekuli ja prootonite suhe 1:3.
Järeldus
Esimeses etapis on fotosüntees valgusenergia (kunstlik ja mittetehislik) koostoime taimega. Kiirtele reageerivad rohelised ained – klorofüllid, millest enamik leidub lehtedes.
ATP ja NADPH moodustumine on sellise reaktsiooni tulemus. Need tooted on tumedate reaktsioonide tekkeks hädavajalikud. Seetõttu on hele staadium kohustuslik protsess, ilma milleta teist etappi - pimedat etappi - ei toimu.
Tume staadium: olemus ja omadused
Tume fotosüntees ja selle reaktsioonid on süsihappegaasi protseduur orgaanilise päritoluga aineteks koos süsivesikute tootmisega. Sellised reaktsioonid toimuvad kloroplasti stroomas ja fotosünteesi esimese etapi produktides – valgus võtab neis aktiivselt osa.
Fotosünteesi pimeda etapi mehhanism põhineb süsinikdioksiidi assimilatsiooni protsessil (nimetatakse ka fotokeemiliseks karboksüülimiseks, Calvini tsükliks), mida iseloomustab tsüklilisus. Koosneb kolmest faasist:
- Karboksüülimine – CO lisamine2.
- Taastumisfaas.
- Ribuloosdifosfaadi regeneratsioonifaas.
Ribulofosfaat, viie süsinikuaatomiga suhkur, fosforüülitakse ATP poolt, mille tulemuseks on ribuloosdifosfaat, mis karboksüülitakse veelgi, kombineerides seda kuue süsinikuaatomiga CO2 tootega, mis koheselt lagunevad veemolekuliga suhtlemisel, moodustades kaks fosfoglütseriinhappe molekulaarset osakest. Seejärel läbib see hape ensümaatilise reaktsiooni käigus täieliku redutseerimise, mille jaoks on vaja ATP ja NADP olemasolu, et moodustada kolme süsinikuga suhkur - kolme süsinikuga suhkur, trioos või aldehüüd.fosfoglütserool. Kui kaks sellist trioosi kondenseeruvad, saadakse heksoosi molekul, millest võib saada tärklise molekuli lahutamatu osa ja mida saab reservi siluda.
See faas lõpeb ühe CO-molekuli neeldumisega fotosünteesi käigus2 ning kolme ATP-molekuli ja nelja H-aatomi kasutamisega. Heksoosfosfaat osaleb reaktsioonides. Pentoosfosfaadi tsüklist moodustuv ribuloosfosfaat regenereeritakse, mis võib rekombineeruda mõne teise süsihappemolekuliga.
Karboksüülimise, taastamise, regenereerimise reaktsioone ei saa nimetada spetsiifiliseks ainult selle raku jaoks, milles toimub fotosüntees. Samuti ei saa öelda, milline on protsesside "homogeenne" käik, kuna erinevus on endiselt olemas - taastamisprotsessis kasutatakse NADPH, mitte OVERH.
CO2 lisamist ribuloosdifosfaadiga katalüüsib ribuloosdifosfaatkarboksülaas. Reaktsiooniproduktiks on 3-fosfoglütseraat, mis redutseeritakse NADPH2 ja ATP toimel glütseraldehüüd-3-fosfaadiks. Redutseerimisprotsessi katalüüsib glütseraldehüüd-3-fosfaatdehüdrogenaas. Viimane muudetakse kergesti dihüdroksüatsetoonfosfaadiks. moodustub fruktoosbisfosfaat. Mõned selle molekulid osalevad ribuloosdifosfaadi regenereerimisprotsessis, sulgedes tsükli, ja teist osa kasutatakse süsivesikute reservide loomiseks fotosünteesirakkudes, st toimub süsivesikute fotosüntees.
Valgusenergia on vajalik orgaaniliste ainete fosforüülimiseks ja sünteesikspäritolu ja orgaaniliste ainete oksüdatsioonienergia on vajalik oksüdatiivseks fosforüülimiseks. Seetõttu pakub taimestik loomadele ja teistele heterotroofsetele organismidele elu.
Fotosüntees taimerakus toimub sel viisil. Selle tooteks on süsivesikud, mis on vajalikud paljude taimemaailma esindajate orgaanilise päritoluga ainete süsinikskelettide loomiseks.
Lämmastik-orgaanilist tüüpi ained assimileeritakse fotosünteetilistes organismides anorgaaniliste nitraatide redutseerimise tõttu ja väävel - sulfaatide redutseerumise tõttu aminohapete sulfhüdrüülrühmadeks. Tagab valkude, nukleiinhapete, lipiidide, süsivesikute, kofaktorite moodustumise, nimelt fotosünteesi. Seda, mis on taimedele elutähtsate ainete "sortiment", on juba rõhutatud, kuid sekundaarse sünteesi saadustest, mis on väärtuslikud raviained (flavonoidid, alkaloidid, terpeenid, polüfenoolid, steroidid, orgaanilised happed jt, pole sõnagi).). Seetõttu võime liialdamata öelda, et fotosüntees on võti taimede, loomade ja inimeste eluks.
