Oletko koskaan miettinyt kuinka monta elävää organismia planeetalla on?! Ja loppujen lopuksi heidän kaikkien on hengitettävä happea tuottaakseen energiaa ja hengittääkseen hiilidioksidia. Hiilidioksidi on pääasiallinen syy sellaiseen ilmiöön kuin huoneen tukkoisuus. Se tapahtuu, kun siinä on paljon ihmisiä, eikä huonetta tuuleteta pitkään aikaan. Lisäksi teollisuuslaitokset, yksityinen auto ja joukkoliikenne täyttävät ilman myrkyllisillä aineilla.
Yllä olevan perusteella herää täysin looginen kysymys: kuinka emme tukehtuneet silloin, jos kaikki elämä on myrkyllisen hiilidioksidin lähde? Kaikkien elävien olentojen pelastaja tässä tilanteessa on fotosynteesi. Mikä tämä prosessi on ja miksi se on tarpeen?
Sen tuloksena on hiilidioksiditasapainon ja ilman kyllästymisen säätö hapella. Tällaisen prosessin tuntevat vain kasviston eli kasvien maailman edustajat, koska sitä esiintyy vain heidän soluissaan.
Fosynteesi itsessään on erittäin monimutkainen toimenpide, joka riippuu tietyistä olosuhteista ja tapahtuu useissavaiheet.
Käsitteen määritelmä
Tieteellisen määritelmän mukaan orgaaniset aineet muuttuvat orgaanisiksi aineiksi fotosynteesin aikana autotrofisissa organismeissa auringonvalon vaikutuksesta.
Yksinkertaisemmin sanottuna fotosynteesi on prosessi, jossa tapahtuu seuraavaa:
- Kasvi on kyllästetty kosteudella. Kosteuden lähde voi olla maasta tulevaa vettä tai kosteaa trooppista ilmaa.
- Klorofylli (erityinen kasveissa esiintyvä aine) reagoi aurinkoenergiaan.
- Kasviston edustajille välttämättömän ravinnon muodostuminen, jota he eivät heterotrofisesti pysty saamaan itse, vaan ovat sen tuottajana itse. Toisin sanoen kasvit syövät mitä tuottavat. Tämä on fotosynteesin tulos.
Vaihe yksi
Käytännössä jokainen kasvi sisältää vihreää ainetta, jonka ansiosta se voi imeä valoa. Tämä aine ei ole muuta kuin klorofylliä. Sen sijainti on kloroplastit. Mutta kloroplastit sijaitsevat kasvin ja sen hedelmien varsiosassa. Mutta lehtien fotosynteesi on erityisen yleistä luonnossa. Koska jälkimmäinen on rakenteeltaan melko yksinkertainen ja sillä on suhteellisen suuri pinta-ala, mikä tarkoittaa, että pelastusprosessin etenemiseen tarvittava energiamäärä on paljon suurempi.
Kun klorofylli absorboi valoa, klorofylli on jännittyneessä tilassa ja senvälittää energiaviestejä muille kasvin orgaanisille molekyyleille. Suurin määrä tällaista energiaa menee fotosynteesiprosessiin osallistuville.
Kakkosvaihe
Fotosynteesin muodostuminen toisessa vaiheessa ei vaadi valon pakollista osallistumista. Se koostuu kemiallisten sidosten muodostamisesta käyttämällä myrkyllistä hiilidioksidia, joka muodostuu ilmamassoista ja vedestä. Siellä on myös monien aineiden synteesi, jotka varmistavat kasviston edustajien elintärkeän toiminnan. Nämä ovat tärkkelystä, glukoosia.
Kasveissa tällaiset orgaaniset alkuaineet toimivat ravintolähteenä kasvin yksittäisille osille ja varmistavat samalla normaalin elämänprosessin. Tällaisia aineita saavat myös eläimistön edustajat, jotka syövät kasveja ruokaan. Ihmiskeho kyllästyy näillä aineilla ruoan kautta, joka sisältyy päivittäiseen ruokavalioon.
Mitä? Missä? Milloin?
Jotta orgaanisista aineista tulee orgaanisia, fotosynteesille on luotava asianmukaiset olosuhteet. Tarkasteltavaa prosessia varten tarvitaan ensinnäkin valoa. Puhumme keinotekoisesta valosta ja auringonvalosta. Luonnossa kasvien toiminnalle on yleensä ominaista voimakkuus keväällä ja kesällä, eli silloin, kun aurinkoenergiaa tarvitaan paljon. Mitä ei voi sanoa syyskaudesta, kun valoa on vähemmän ja päivä lyhenee. Tämän seurauksena lehdet muuttuvat keltaisiksi ja putoavat sitten kokonaan. Mutta heti kun ensimmäiset kevään auringonsäteet paistavat, vihreä ruoho nousee, he jatkavat välittömästi toimintaansa.klorofyllit ja hapen ja muiden elintärkeiden ravintoaineiden aktiivinen tuotanto alkaa.
Fotosynteesin edellytyksiä ovat enemmän kuin pelkkä valo. Myös kosteutta pitäisi olla riittävästi. Loppujen lopuksi kasvi imee ensin kosteutta, ja sitten alkaa reaktio aurinkoenergian osallistumisella. Kasviruoka on tämän prosessin tulos.
Fotosynteesi tapahtuu vain vihreän aineen läsnä ollessa. Mitä ovat klorofyllit, olemme jo kertoneet edellä. Ne toimivat eräänlaisena johtimena valo- tai aurinkoenergian ja itse kasvin välillä varmistaen niiden oikeanlaisen elämän ja toiminnan. Vihreillä aineilla on kyky absorboida monia auringonsäteitä.
Happella on myös merkittävä rooli. Jotta fotosynteesiprosessi onnistuisi, kasvit tarvitsevat sitä paljon, koska se sisältää vain 0,03 % hiilihappoa. Joten 20 000 m3 ilmasta saat 6 m3 happoa. Jälkimmäinen aine on pääasiallinen glukoosin lähdemateriaali, joka puolestaan on elämälle välttämätön aine.
Fotosynteesissä on kaksi vaihetta. Ensimmäistä kutsutaan vaaleaksi, toista pimeäksi.
Mikä on valolavavirran mekanismi
Fotosynteesin valovaiheella on toinen nimi - fotokemiallinen. Pääosallistujat tässä vaiheessa ovat:
- aurinkoenergia;
- erilaisia pigmenttejä.
Ensimmäisen komponentin kanssa kaikki on selvää, se on auringonvaloa. MUTTASitä pigmentit ovat, kaikki eivät tiedä. Ne ovat vihreitä, keltaisia, punaisia tai sinisiä. Ryhmien "A" ja "B" klorofyllit kuuluvat vihreään, fykobiliinit keltaiseen ja punaiseen/siniseen vastaavasti. Prosessin tässä vaiheessa osallistujien fotokemiallinen aktiivisuus näkyy vain klorofyllillä "A". Muilla on täydentävä rooli, jonka ydin on valokvanttien kerääminen ja niiden kuljettaminen fotokemialliseen keskukseen.
Koska klorofyllillä on kyky absorboida tehokkaasti aurinkoenergiaa tietyllä aallonpituudella, seuraavat fotokemialliset järjestelmät on tunnistettu:
- Fotokemiallinen keskus 1 (ryhmän "A" vihreät aineet) - koostumukseen sisältyy pigmentti 700, joka absorboi valonsäteitä, joiden pituus on noin 700 nm. Tällä pigmentillä on keskeinen rooli fotosynteesin valovaiheen tuotteiden luomisessa.
- Fotokemiallinen keskus 2 (ryhmän "B" vihreät aineet) - koostumus sisältää pigmenttiä 680, joka absorboi valonsäteitä, jonka pituus on 680 nm. Hänellä on toissijainen rooli, joka koostuu fotokemiallisen keskuksen 1 menettämien elektronien täydentämisestä. Se saavutetaan nesteen hydrolyysin ansiosta.
350–400 pigmenttimolekyylissä, jotka keskittävät valovirtoja valosysteemeissä 1 ja 2, on vain yksi pigmenttimolekyyli, joka on fotokemiallisesti aktiivinen - A-ryhmän klorofylli.
Mitä tapahtuu?
1. Kasvin absorboima valoenergia vaikuttaa sen sisältämään pigmenttiin 700, joka muuttuu normaalitilasta virittyneeseen tilaan. Pigmentti häviääelektroni, jolloin muodostuu niin sanottu elektroniaukko. Lisäksi pigmenttimolekyyli, joka on menettänyt elektronin, voi toimia vastaanottajanaan eli elektronin vastaanottavana puolena ja palata muotoonsa.
2. Nesteen hajoamisprosessi fotosysteemin 2 valoa absorboivan pigmentin 680 fotokemiallisessa keskustassa. Veden hajoamisen aikana muodostuu elektroneja, jotka alun perin vastaanottaa jokin aine, kuten sytokromi C550 ja jotka merkitään kirjaimella Q. Sitten, sytokromista elektronit siirtyvät kantajaketjuun ja kuljetetaan fotokemialliseen keskukseen 1 täydentämään elektronien aukkoa, joka oli seurausta valokvanttien tunkeutumisesta ja pigmentin 700 pelkistysprosessista.
On tapauksia, joissa tällainen molekyyli saa takaisin elektronin, joka on identtinen edellisen kanssa. Tämä johtaa valoenergian vapautumiseen lämmön muodossa. Mutta melkein aina negatiivisen varauksen omaava elektroni yhdistyy erityisiin rauta-rikkiproteiineihin ja siirtyy yhtä ketjua pitkin pigmenttiin 700 tai siirtyy toiseen kantajaketjuun ja yhdistyy pysyvään vastaanottajaan.
Ensimmäisessä versiossa on syklinen suljetun tyyppinen elektronien siirto, toisessa - ei-syklinen.
Molempia prosesseja katalysoi sama elektronin kantajaketju fotosynteesin ensimmäisessä vaiheessa. Mutta on huomattava, että syklisen tyypin fotofosforylaation aikana kuljetuksen alku- ja samalla loppupiste on klorofylli, kun taas ei-syklinen kuljetus tarkoittaa ryhmän "B" vihreän aineen siirtymistäklorofylli "A".
syklisen liikenteen ominaisuudet
Syklistä fosforylaatiota kutsutaan myös fotosynteetiksi. Tämän prosessin seurauksena muodostuu ATP-molekyylejä. Tämä kuljetus perustuu elektronien palautumiseen viritetyssä tilassa pigmenttiin 700 useiden peräkkäisten vaiheiden kautta, minkä seurauksena vapautuu energiaa, joka osallistuu fosforyloivan entsyymijärjestelmän työhön ATP-fosfaatin lisäkertymistä varten. joukkovelkakirjat. Eli energia ei hajoa.
Syklinen fosforylaatio on fotosynteesin ensisijainen reaktio, joka perustuu teknologiaan tuottaa kemiallista energiaa kloroplastisten tylaktoidien kalvopinnoille auringonvalon energialla.
Ilman fotosynteettistä fosforylaatiota assimilaatioreaktiot fotosynteesin pimeässä vaiheessa ovat mahdottomia.
Ei-syklisen tyypin kuljetuksen vivahteet
Prosessi koostuu NADP+:n palauttamisesta ja NADPH:n muodostamisesta. Mekanismi perustuu elektronin siirtymiseen ferredoksiiniin, sen pelkistysreaktioon ja sitä seuraavaan siirtymiseen NADP+:ksi ja pelkistymiseen edelleen NADPH:ksi.
Tämän seurauksena pigmentin 700 menettäneet elektronit täydentyvät veden elektronien ansiosta, jotka hajoavat valonsäteiden vaikutuksesta valojärjestelmässä 2.
Electronien ei-syklinen polku, jonka virtaus edellyttää myös valon fotosynteesiä, tapahtuu molempien fotosysteemien vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja yhdistää niiden elektroninkuljetusketjut. Valoisaenergia ohjaa elektronien virtaa takaisin. Kuljetessaan fotokemiallisesta keskuksesta 1 keskukseen 2 elektronit menettävät osan energiastaan, koska ne kerääntyvät protonipotentiaalina tylaktoidien kalvopinnalle.
Fotosynteesin pimeässä vaiheessa prosessi protonityyppisen potentiaalin luomiseksi elektronien kuljetusketjuun ja sen hyödyntäminen ATP:n muodostukseen kloroplasteissa on lähes täysin identtinen saman prosessin kanssa mitokondrioissa. Mutta ominaisuudet ovat edelleen olemassa. Tylaktoidit ovat tässä tilanteessa mitokondrioita, jotka on käännetty nurinpäin. Tämä on tärkein syy siihen, että elektronit ja protonit liikkuvat kalvon poikki vastakkaiseen suuntaan mitokondriokalvon kuljetusvirtaukseen nähden. Elektronit kulkeutuvat ulos, kun taas protonit kerääntyvät tylaktisen matriisin sisäpuolelle. Jälkimmäinen hyväksyy vain positiivisen varauksen, ja tylaktoidin ulkokalvo on negatiivinen. Tästä seuraa, että protonityyppisen gradientin reitti on vastakkainen sen polkua mitokondrioissa.
Seuraavana ominaisuutena voidaan kutsua protonipotentiaalin suureksi pH-tasoksi.
Kolmas piirre on vain kahden konjugaatiokohdan läsnäolo tylaktoidiketjussa, ja sen seurauksena ATP-molekyylin suhde protoniin on 1:3.
Johtopäätös
Ensimmäisessä vaiheessa fotosynteesi on valoenergian (keinotekoinen ja ei-keinotekoinen) vuorovaikutusta kasvin kanssa. Vihreät aineet reagoivat säteisiin - klorofyllit, joista suurin osa löytyy lehdistä.
ATP:n ja NADPH:n muodostuminen on seurausta tällaisesta reaktiosta. Nämä tuotteet ovat välttämättömiä tummien reaktioiden esiintymiselle. Siksi valovaihe on pakollinen prosessi, jota ilman toista vaihetta - pimeää vaihetta - ei tapahdu.
Pimeä vaihe: olemus ja ominaisuudet
Pimeä fotosynteesi ja sen reaktiot ovat prosessia, jossa hiilidioksidi orgaanista alkuperää oleviksi aineiksi tuottaa hiilihydraatteja. Tällaisten reaktioiden toteutuminen tapahtuu kloroplastin stroomassa ja fotosynteesin ensimmäisen vaiheen tuotteissa - valo osallistuu niihin aktiivisesti.
Fotosynteesin pimeän vaiheen mekanismi perustuu hiilidioksidin assimilaatioprosessiin (kutsutaan myös fotokemialliseksi karboksylaatioksi, Calvinin sykliksi), jolle on ominaista syklisyys. Koostuu kolmesta vaiheesta:
- Karboksylointi - CO:n lisääminen2.
- Toipumisvaihe.
- Ribuloosidifosfaatin regeneraatiovaihe.
Ribulofosfaatti, sokeri, jossa on viisi hiiliatomia, fosforyloituu ATP:llä, jolloin saadaan ribuloosidifosfaattia, joka karboksyloituu edelleen yhdistämällä CO2 tuotteen kanssa, jossa on kuusi hiiltä, mikä välittömästi hajoaa vuorovaikutuksessa vesimolekyylin kanssa muodostaen kaksi fosfoglyseriinihapon molekyylipartikkelia. Sitten tämä happo läpikäy täydellisen pelkistyskurssin entsymaattisen reaktion toteuttamisessa, jolloin ATP:n ja NADP:n läsnäolo vaaditaan kolmen hiilen sokerin muodostamiseksi - kolmihiilisen sokerin, trioosin tai aldehydinfosfoglyseroli. Kun kaksi tällaista trioosia tiivistyy, saadaan heksoosimolekyyli, josta voi tulla tärkkelysmolekyylin olennainen osa ja josta voidaan tehdä virheenkorjaus varassa.
Tämä vaihe päättyy yhden CO-molekyylin absorptioon fotosynteesiprosessin aikana2 ja kolmen ATP-molekyylin ja neljän H-atomin käyttöön. Heksoosifosfaatti soveltuu reaktioihin pentoosifosfaattisyklistä, tuloksena oleva ribuloosifosfaatti regeneroituu, joka voi yhdistyä toisen hiilihappomolekyylin kanssa.
Karboksylaatio-, palautumis-, regeneraatioreaktioita ei voida kutsua spesifisiksi vain solulle, jossa fotosynteesi tapahtuu. Et myöskään voi sanoa, mikä on "homogeeninen" prosessien kulku, koska ero on edelleen olemassa - palautusprosessin aikana käytetään NADPH:ta, ei OVERH.
CO2 ribuloosidifosfaatilla katalysoi ribuloosidifosfaattikarboksylaasi. Reaktiotuote on 3-fosfoglyseraatti, jonka NADPH2 ja ATP pelkistävät glyseraldehydi-3-fosfaatiksi. Pelkistysprosessia katalysoi glyseraldehydi-3-fosfaattidehydrogenaasi. Jälkimmäinen muunnetaan helposti dihydroksiasetonifosfaatiksi. muodostuu fruktoosibisfosfaattia. Osa sen molekyyleistä osallistuu ribuloosidifosfaatin regeneraatioprosessiin sulkeen kierron ja toista osaa käytetään hiilihydraattivarastojen luomiseen fotosynteesisoluissa, eli hiilihydraattien fotosynteesi tapahtuu.
Valoenergiaa tarvitaan orgaanisten aineiden fosforylaatioon ja synteesiinorgaanisten aineiden hapettumisenergia on välttämätön hapettavalle fosforylaatiolle. Siksi kasvillisuus tarjoaa elämää eläimille ja muille organismeille, jotka ovat heterotrofisia.
Fotosynteesi kasvisolussa tapahtuu tällä tavalla. Sen tuote on hiilihydraatteja, joita tarvitaan monien kasvimaailman edustajien orgaanista alkuperää olevien aineiden hiilirunkojen luomiseen.
Typpi-orgaanisen tyypin aineet assimiloituvat fotosynteettisissä organismeissa epäorgaanisten nitraattien pelkistymisen vuoksi ja rikki - johtuen sulfaattien pelkistämisestä aminohappojen sulfhydryyliryhmiksi. Tarjoaa proteiinien, nukleiinihappojen, lipidien, hiilihydraattien, kofaktorien muodostumisen, nimittäin fotosynteesin. Se, mikä on kasveille elintärkeää aineiden "lajitelmaa", on jo korostettu, mutta sekundaarisynteesin tuotteista, jotka ovat arvokkaita lääkeaineita (flavonoidit, alkaloidit, terpeenit, polyfenolit, steroidit, orgaaniset hapot ja muut) ei puhuttu sanaakaan.). Siksi voimme liioittelematta sanoa, että fotosynteesi on avain kasvien, eläinten ja ihmisten elämään.
