Механизм процесса фотосинтеза

Пластический обмен.

Пластический обмен (ассимиляция) - это совокупность реакций анаболизма (биосинтеза), или создание сложных молекул из простых. Процессы анаболизма, происходящие в зелѐных растениях с использованием солнечной энергии, имеют планетарное значение, играя решающую роль в синтезе органических веществ из неорганических (фотосинтез). Очень интенсивно анаболизм происходит в периоды роста: у животных - в молодом возрасте, у растений - в течение вегетационного периода. В клетке постоянно синтезируются белки из аминокислот, жиры из глицерина и жирных кислот, углеводы из моносахаридов, нуклеотиды из азотистых оснований и сахаров. Все реакции биосинтеза идут с поглощением энергии, которая освобождается при расщеплении молекулы АТФ, образовавшейся в ходе энергетического обмена.

Ответьте на вопросы.

1. Какие ещё термины употребляются при данном типе обмена.
2. Что происходит с энергией?
3. Что происходит с АТФ?

Энергетический обмен.

Энергетический обмен или катаболизм - это совокупность реакций распада сложных органических соединений до более простых молекул или окисления какого-либо вещества, обычно протекающего с высвобождением энергии. Катаболические реакции лежат в основе диссимиляции: утраты сложными веществами своей специфичности для данного организма в результате распада до более простых. Расщепление органических веществ осуществляется в цитоплазме и митохондриях с участием кислорода. Ряд процессов диссимиляции ‒ дыхание, брожение и гликолиз ‒ занимает центральное место в обмене веществ. Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) и других высокоэнергетических соединений. АТФ - универсальный источник энергообеспечения КЛЕТКИ. Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования - присоединения неорганического фосфата к АДФ.

Ответьте на вопросы.

1. Какие ещё термины употребляются при данном типе обмена.
2. Что происходит с энергией?
3. Что происходит с АТФ?

Домашнее задание: 1) выучить п. 8, ответить на вопросы 1.3.4 письменно; 2) ответить на вопросы лекции (выделены красным), заполнить таблицу.

Дополнительный материал к уроку

Особенности обмена веществ у различных организмов

• Для каждого живого организма характерен особый, генетически закрепленный тип обмена веществ, зависящий от условий ѐго существования и от отношения площади поверхности тела к его массе. Это отношение тем больше, чем меньше животное. Следовательно, у крупных животных интенсивность обмена веществ ниже, чем у мелких.
• Интенсивность обмена веществ у человека условно принята за единицу.
• Слон - 0,33
• Лошадь - 0,52
• Овца - 1,05
• Собака - 1,57
• Землеройка - 35,24
• Если землеройка будет без пищи 7-9 часов, она погибнет!
• В организме человека и животных имеет место гормональная регуляция обмена веществ, координируемая центральной нервной системой.
• В растущем организме процессы ассимиляции преобладают над процессами диссимиляции, благодаря чему обеспечивается накопление веществ и роста организма. Это компенсируется усиленным питанием.
• При интенсивной физической работе и в старости преобладают процессы диссимиляции. При этом происходит постепенное истощение организма и в конечном итоге гибель организма.
• Во время фотосинтеза зеленые растения способны преобразовывать световую энергию Солнца в энергию химических связей органических веществ. В частности, из энергетически бедных веществ СО₂ и Н₂О они синтезируют богатые энергией углеводы и выделяют кислород.

На сегодняшний день вам хорошо известна схема: растение – лист – фотосинтезирующая ткань (паренхима) – клетки – пластиды (хлоропласты) – тилакоиды, содержащие пигмент хлорофилл.

Механизм процесса фотосинтеза

а) Световая фаза

Световая фаза – это стадия, для протекания реакций которой требуется поглощение кванта солнечной энергии. В ходе реакций энергия света преобразуется в энергию химических связей.

Молекулы хлорофилла поглощают красные и сине-фиолетовые лучи светового спектра. При этом одни молекулы улавливают свет с длиной волны 700 нм и образуют фотосистему I. Другие молекулы воспринимают волны длиной 680 нм и образуют фотосистему II.

Молекулы хлорофилла фотосистемы I поглощают квант солнечной энергии и переходят в активное состояние. В результате эти молекулы теряют электроны и окисляются. Электроны попадают на наружную мембрану гран и включаются в окислительно-восстановительные реакции.

Молекула хлорофилла стремится закрыть образовавшиеся «электронные дырки». Где же взять электроны? Из фотосистемы II.

Под действием света молекулы хлорофилла фотосистемы II тоже переходят в активное состояние и теряют электроны, которые закрывают «электронные дырки» в фотосистеме I. Но в этом случае «дырки» образуются в фотосистеме II. Чем же их закрыть?

Оказывается, под влиянием электронов, имеющих избыток энергии за счёт фотореакций, происходит процесс фотолиза воды (от лат. «фото» – свет, «лизис» – разложение):

2Н₂О → 4Н⁺ + 4е^- + О₂ ↑ (под действием энергии света)

• Что происходит с продуктами реакции фотолиза воды? Кислород выделяется в атмосферу, электроны направляются в фотосистему II и закрывают «электронные дырки». А катионы водорода накапливаются на внутренней поверхности мембраны гран.

Итак, на внешней поверхности мембраны накопились электроны, несущие отрицательный заряд, на внутренней поверхности – катионы водорода, несущие положительный заряд.

• Вспомните из курса физики, что в таком случае возникает? (Ответ: разность потенциалов).
• К чему это приводит? Чтобы ответить на этот вопрос, я предлагаю вашему вниманию медиарассказ, сопровождающийся анимационными эффектами. Он не только позволит представить процессы в действии, но и даст ответ на вопрос, что происходит дальше?

Основным переносчиком атомов водорода является вещество НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Полученный комплекс богат энергией и будет играть роль восстановителя в реакциях темновой фазы.

Таким образом, во время световой фазы фотосинтеза происходит:

• процесс разложения воды под действием энергии солнечного света, т.е. … (фотолиз воды);
• выделение в окружающую среду побочного продукта фотосинтеза – … (кислорода);
• преобразование энергии света в … (химическую энергию АТФ и НАДФ•Н).

б) Темновая фаза представляет собой процесс превращения углекислого газа в глюкозу и протекает в строме хлоропласта. Последовательность происходящих при этом окислительно-восстановительных реакций была впервые описана учёным Кальвином и получила название цикла Кальвина. Восстановителем в большинстве реакций является водород, доставляемый НАДФ•Н. Каждая реакция в цикле Кальвина идёт при участии своего фермента за счёт энергии АТФ, запасённой в световую фазу фотосинтеза.

Итоговое уравнение фотосинтеза: 6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ ↑.

3) Значение фотосинтеза (анализ высказываний учёных, самостоятельная работа с учебником с последующей беседой).

О фотосинтезе можно говорить не только на уроках биологии и химии. Если по-настоящему любить природу, можно описать этот процесс красивым литературным языком. Послушайте выдержку из работы К.А. Тимирязева: «Когда-то, где-то на Землю упал луч солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зелёную былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез… В той или другой форме он вошёл в состав хлеба, который послужил нам пищей. Он преобразился в наши мускулы, в наши нервы. Этот луч солнца согревает нас. Он приводит нас в движение. Быть может, в эту минуту он играет в нашем сознании».

• Как вы думаете, почему К.А. Тимирязев считал, что растениям в нашей жизни принадлежит космическая роль?

Основным источником тепла и света является космическое тело – Солнце. А зелёные растения – единственные организмы на нашей планете, которые способны усваивать солнечную энергию и переводить её в химическую энергию органических веществ.

Изобретатель паровоза Стефенсон как-то задал вопрос своему приятелю: «Что движет проходящий перед нами поезд?» «Конечно, твое изобретение», –ответил его друг. «Нет, – сказал Стефенсон, – его движет тот солнечный луч, который сотни миллионов лет назад поглотило зеленое растение».

Значение фотосинтеза

1. Ежегодно на планете образуется 150 млн тонн органического вещества.
2. В атмосферу ежегодно выделяется 200 млн тонн кислорода, который необходим для всех живых организмов.
3. Из кислорода в верхних слоях атмосферы образуется озон, который защищает всё живое на Земле от губительного действия УФ-лучей.
4. Фотосинтез регулирует содержание углекислого газа в атмосфере.