Энергетическое обеспечение клетки. Фотосинтез
План лекции:
Актуализация знаний о питании живых организмов.
Типы питания организмов.
Фотосинтез растений:
– световая фаза
– темновая фаза
– значение фотосинтеза.
Бактериальный фотосинтез.
Хемосинтез.
Выводы.
Домашнее задание.
Конспект урока
1. Если вспомнить данные зоологии о питании живых организмов и составить цепь питания, то окажется, что она начинается с растительных организмов, затем следуют травоядные, хищные животные и падальщики. По цепям питания передается энергия и вещество, расходуемые на жизнедеятельность.
Вспоминая ботанику, мы видим, что растения способны из неорганических соединений (Н2О и СО2) создавать органические (сахара); при этом энергия солнечного света, доступная растениям , запасается в виде химической энергии – способной передаваться по цепи питания и быть доступной для всех остальных живых существ.
Таким образом в клетках происходят процессы синтеза веществ и их распада с выделением энергии.
Метаболизм – совокупность химических реакций в живой клетке, складывающихся из противоположных процессов пластического и энергетического обменов.
Пластический обмен – (ассимиляция, анаболизм) – совокупность реакций, обеспечивающих синтез органических соединений в клетке (фотосинтез, биосинтез белков).
Энергетический обмен – (диссимиляция, катаболизм) – совокупность реакций расщепления органических соединений, сопровождающихся выделением энергии.
2. Питание – процесс потребления энергии и веществ. Итак, по способу питания, т.е. по способу извлечения энергии и по источникам энергии организмы бывают автотрофами (греч. “аутос” – сам, “трофос” – питание) и гетеротрофами (греч. “гетерос” – различный).
Гетеротрофами называются организмы, не способные синтезировать органические соединения из неорганических, использующие в виде пищи (источника энергии) готовые органические соединения из окружающей среды. Это большинство бактерий, грибы, животные.
Автотрофами называются организмы, создающие из неорганических веществ окружающей среды (почвы, воды, воздуха) органические вещества с помощью энергии света или химической энергии минеральных веществ, используемые для построения их тела. Автотрофы – это некоторые бактерии и почти все растения.
Автотрофные организмы используют различные источники энергии. Для некоторых из них источником энергии служит свет, такие организмы называются фототрофами. Другие используют энергию, освобождающуюся при окислительно – восстановительных реакциях минеральных веществ и называются хемотрофами.
3. Итакфотосинтезировать могут растения, зеленые, сине – зеленые и пурпурные бактерии. Одинаково ли идет процесс фотосинтеза?
Фотосинтез – синтез органических соединений из неорганических, идущий за счет энергии света.
Фотосинтез растений
Фотосинтез мы изучали, знакомясь с растениями. Рассмотрим этот процесс подробнее, итак, суммарное уравнение
Фотосинтез – сложный, многоступенчатый, двухфазный процесс, протекающий с участием хлорофилла хлоропластов растительных клеток.
Световая фаза фотосинтеза.
Центральная роль здесь принадлежит хлорофиллу – органическому веществу, пигменту растительных клеток зеленого цвета, которое преобразует энергию света в энергию химических связей.
Не все клетки растения автотрофные. Не содержат хлоропластов и не способны к фотосинтезу клетки корня, лепестков цветков, камбия и др. Фотосинтезировать могут только зеленые части растений (см учебник стр 48 рис 19, “Схема фотосинтеза” лист – клетка – хлоропласт с гранами – хлорофилл в гране). Молекулы хлорофилла встроены в мембранные структуры хлоропласта (граны) и находятся в окружении молекул белков, липидов и других веществ.
Процесс фотосинтеза начинается с освещения хлоропласта видимым светом и поглощения хлорофиллом кванта красного цвета – установлено К.А.Тимирязевым (объяснение и одновременно рисунок на доске). Фотон, попав в молекулу хлорофилла, приводит ее в “возбужденное” состояние, т.е. обогащает энергией т.к. электроны перескакивают на высшие орбиты, более удаленные от ядра, а значит, облегчается отрыв электронов от молекулы в целом.
Один из таких возбужденных е переходит на молекулу – переносчика, который уносит его и переправляет на другую сторону мембраны. Молекула хлорофилла восстанавливает потерю е , отбирая его от молекулы воды. Эта энергия используется для образования молекул – носителей энергии – АТФ.
Ионы водорода Н+ и электроны е , необходимые для восстановления молекул – носителей энергии образуется при расщеплении молекул воды в хлоропластах белком – ферментом под воздействием света – это фотолиз.
Избыточная энергия части “возбужденных” молекул преобразуется в теплоту или испускается в виде света. Ионы гидроксила ОН– отдают свои электроны другим молекулам и превращаются в свободные радикалы ОН. Радикалы ОН взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуются вода и молекулярный О2.
Следовательно, источником свободного О2, выделяющегося в атмосферу, служит вода.
Итак, в конечном итоге, в результате потери электронов  молекулы воды разлагаются на протоны и атомы кислорода, из которых образуется молекулярный кислород, диффундирующий через мембрану и накапливаются в гране. Таким образом, по одну сторону мембраны собираются положительные заряженные протоны, по другую – отрицательно заряженные электроны.
По мере накопления по обеим сторонам мембраны противоположно заряженных частиц нарастает разность потенциалов (протонный потенциал). В мембраны хлоропластов (граны) встроены молекулы фермента, синтезирующего АТФ (АТФ – синтетаза). Внутри АТФ – синтетазы имеется канал, через который могут пройти протоны. Когда величина протонного потенциала достигает критического уровня, сила электрического поля проталкивает протоны через канал в молекуле АТФ – синтетазы. Освобождающаяся при этом энергия тратится на синтез АТФ.
Образовавшаяся АТФ направляется в те места хлоропласта, где происходит синтез углеводов.
Протоны, оказавшиеся на другой стороне мембраны, встречаются здесь с электронами, доставленные молекулами – переносчиками. Они превращаются в атомы водорода, которые переправляются в те места хлоропласта, где идет синтез углеводов.
Таким образом, энергия солнечного излучения порождает три процесса: образование молекулярного О2, в результате разложения воды, синтез АТФ, образование атомарного водорода. Эти три процесса происходят на свету и являются составляющими световой фазы фотосинтеза.
Темновая фаза
Дальнейшие реакции фотосинтеза связаны с фиксацией атмосферного СО2 и образованием углеводов (например глюкозы) в строме хлоропласта, они протекают как на свету, так и в темноте и называются темновой фазой.
Темновая фаза представляет собой ряд последовательных реакций (цикл Кальвина), в результате которых из оксида углерода (IV) и водорода образуются углеводы
Для темновых реакций в хлоропласт непрерывно поступают исходные вещества и энергия. Углекислый газ поступает в лист из окружающей атмосферы фиксируемый ферментом рибулозодифосфатом, водород образуется в световую фазу фотосинтеза в результате расщепления воды. Источником энергии служит АТФ, которая синтезируется в световую фазу фотосинтеза.
Значение фотосинтеза
Большой вклад по изучению фотосинтеза внес К.А.Тимирязев, он говорил о космической роли зеленых растений: “Это процесс, от которого в конечной инстанции зависят все проявления жизни на нашей планете”.
Фотосинтез – основной поставщик не только органических соединений, но и свободного кислорода на Земле.
Фотосинтез в цифрах:
ежегодно растительность Земли связывает 1,7 ∙108 т углерода;
извлечение миллиардов тонн азота, фосфора, серы, кальция, магния, калия и т.д.;
ежегодный синтез примерно 4 ∙10 7 т органического вещества;
но процесс медленный и малоэффективный: зеленый лист использует для фотосинтеза всего около 1 % падающего на него солнечного излучения;
продуктивность фотосинтеза 1 грамм органического вещества на 1 м2 листа в час;
летом за одни сутки 1 м2 листвы вырабатывает примерно 15 – 16 г органических веществ;
создание примерно 2000 млрд т кислорода в год, преобразующегося частично в озон;
повышает эффективность фотосинтеза: улучшение освещенности, водоснабжение, повышение концентрации СО2 (это и повышает урожайность сельскохозяйственных растений).
Растения, как и многие другие аэробные живые существа дышат – т.е. поглощают кислород для окисления органических веществ с высвобождением энергии и выделением углекислого газа.
Днем наряду с дыханием растительные клетки преобразуют световую энергию в химическую: они синтезируют органические вещества. При этом в качестве побочного продукта выделяется молекулярный кислород. Количество кислорода выделяемого растительными клетками в процессе фотосинтеза в 20 – 30 раз больше, чем кислорода, поглощаемого в одновременно идущем днем и ночью дыхании.
4. Бактериальный фотосинтез
Бактериальный фотосинтез в отличие от растительного идет без выделения кислорода, т.к. донором водорода при восстановлении оксида углерода (IV) является не вода, а сероводород, спирты, органические кислоты.
Фотосинтезирующие пурпурные бактерии часто образуют скопления на дне водоемов в виде пурпурного налета, особенно там, где в илах скапливается сероводород.
5. Хемосинтез
Другая группа автотрофных организмов – хемосинтезирующие бактерии – хемотрофы. Хемосинтез открыт русским микробиологом С.Н.Виноградским в 1889 – 1890 годах.
Хемосинтез – синтез органических соединений из неорганических за счет энергии, получаемой при окислении неорганических веществ.
Для биосинтеза они используют энергию химических реакций неорганических соединений. Такие бактерии способны окислять ионы аммония, нитрита, сульфида, Feжелезо2+, элементарную серу, молекулярный водород и СО. Так, разные группы нитрифицирующих бактерий последовательно окисляют аммиак до нитрита, а затем из нитрита образуется нитрат.
нитрифицирующие бактерии
Деятельность всех этих бактерий – нитрифицирующих, окисляющих железо и серу переводит нерастворимые минералы в легко растворимые, а это – играет важную роль в круговороте веществ в природе, образовании полезных ископаемых, накоплении в почве минеральных веществ, повышении плодородия почв и очистке сточных вод.
6. Выводы
 |
