Конспект урока: Пластический обмен в клетке. Фотосинтез. Хемосинтез

Пластический обмен — фотосинтез

Одним из важных процессов пластического обмена является фотосинтез. Эта энергия служит основным источником жизни на нашей планете. Зелёные растения и цианобактерии (сине-зелёные водоросли) используют солнечную энергию, синтезируя с её помощью органические соединения и аккумулируя её таким образом в виде энергии химических связей. Практически всё живое на Земле так или иначе связано с фотосинтезом.

Функциональной единицей хлоропластов являются тилакоиды — плоские мембранные структуры (рис. 1). В хлоропластах тилакоиды, уложенные в стопки, называются гранами. Граны похожи на столбики из монет, положенных одна на другую. Именно на мембранах тилакоидов расположены пигменты фотосинтеза (главным образом хлорофилл), а также молекулы переносчиков электронов — цитохромов. Хлорофилл обладает уникальной способностью улавливать кванты света (фотоны). Существует несколько разновидностей хлорофилла, улавливающего фотоны в разных частях светового диапазона.

Рис. 1. Строение хлоропласта

Наружная мембрана, Межмембранное пространство, Внутренняя мембрана (1 + 2 + 3: оболочка), Строма (жидкость), Тилакоид с просветом (люменом) внутри, Мембрана тилакоида, Грана (стопка тилакоидов), Тилакоид (ламела), Зерно крахмала, Рибосома, Пластидная ДНК, Пластоглобула (капля жира).   Фотосинтез происходит в две стадии, и обе они протекают в особых органоидах растительных клеток — хлоропластах  (рис. 2).

Рис. 2. Хлоропласт

Световая фаза

Условия. Название фазы соответствует требованиям процессов, протекающим в фазе. Солнечный свет для этой фазы необходим.

Где происходит? Тилакоиды гран.

Продукты.

1. АТФ.
2. Атомы водорода.
3. Молекулярный кислород (побочный продукт).

Основные  процессы.

• внутреннее пространство тилакоида:
  фотолиз воды (разложение воды под действием солнечного света), в результате которого образуются:

• молекулы хлорофилла:
  поглощают кванты солнечного света определённой длины волны, в результате чего один из электронов каждой молекулы приобретает избыток энергии и переходит в возбуждённое состояние, он отрывается от молекулы хлорофилла и путешествует по цепи белков-переносчиков, расположенных в мембране тилакоида, постепенно отдавая накопленную энергию.

• мембрана тилакоида:
  синтезирует АТФ за счёт энергии возбуждённого электрона; пропускает атомы водорода и присоединяет их к молекулам-переносчикам (НАДФ) (никотинамидадениндинуклеотид-фосфат).

Дальнейшая  «судьба»:

• атомов водорода — темновая фаза для синтеза глюкозы;
• АТФ — темновая фаза как источник энергии для связывания СО₂.

Темновая фаза

Условия. Название фазы соответствует требованиям процессов, протекающим в фазе. Солнечный свет для этой фазы НЕ требуется.

Где происходит? Строма хлоропласта.

Продукты. Глюкоза.

Основные  процессы.

• В строму хлоропласта поступают НАДФ*Н из тилакоида; СО₂ из атмосферы.
• В результате циклических реакций (цикл Кальвина) происходит связывание СО₂ и Н в образование глюкозы с использованием энергии АТФ.
  
  АТФ → АДФ + Ф + Е 
  
  СО₂ + Н* → C₆H₁₂O₆ (глюкоза)
  
  НАДФ*Н → НАДФ + Н*

Дальнейшая  «судьба»:

• молекула-переносчик — возвращается за новым водородом (Н*),
• АДФ — возвращается за энергией,
• глюкоза — транспорт в каналы ЭПС и полимеризация с образованием ди-и полисахаров.

Общее уравнение фотосинтеза выглядит следующим образом:

6СО₂ + 6Н₂0 ⟶ C₆H₁₂O₆+ 6О₂

Как уже отмечалось выше, побочным продуктом фотосинтеза зелёных растений является молекулярный кислород, выделяемый в атмосферу. Свободный кислород в атмосфере является мощным фактором преобразования веществ. Благодаря его появлению на нашей планете стал возможным аэробный тип обмена веществ.

Рис. 3. Схема световой и темновой фаз фотосинтеза

Значение фотосинтеза

1. В процессе фотосинтеза образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов.
2. Фотосинтез обеспечивает постоянство уровня CO₂ и O₂ в атмосфере.
3. Фотосинтез обеспечивает образование органических веществ, а следовательно, пищу для всех живых существ.
4. В верхних слоях воздушной оболочки Земли из кислорода образуется озон O₃, из которого формируется защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от опасного для жизни воздействия ультрафиолетового излучения.

Сравнение процессов дыхания и фотосинтеза в клетках растений

Хемосинтез

На Земле есть существа, которые напрямую не зависят от солнечной энергии, — хемосинтезирующие бактерии.

Все хемосинтетики (водородные, нитрифицирующие, азотфиксирующие бактерии, серобактерии, железобактерии) являются облигатными (обязательными) аэробами, т. к. они используют кислород воздуха.

В процессе окисления неорганических веществ высвобождается энергия, которую бактерии запасают в виде молекул АТФ и используют их для синтеза органических соединений (реакции протекают сходно с реакциями темновой фазы фотосинтеза).

Рис. 4. Упрощённая схема хемосинтеза

Роль в биосфере хемосинтезирующих бактерий заключается в очистке сточных вод, накоплении в почве минеральных веществ, повышении плодородия почвы.