Фотосинтез презентация

Ознакомление
Фотосинтез-процесс превращения солнечной энергии в химическую
Фотосинтез – кормит всю живую планеты, прямым или косвенным способом
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Автотрофы поддерживать себя без потребления органических веществ полученных от других организмов
Автотрофы являются производителями биосферы, которые получяют органические молекулы из CO2 и других неорганических молекул
Почти все растения являются фотоавтотрофами, используя энергию солнечного света для получения органических молекул из Н2О и СО2
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 10-1

Фотосинтез происходит в растениях, водорослях, некоторых других простейших и некоторых прокариот
Эти организмы питают не только себя, но и большую часть живого мира
BioFlix: Photosynthesis
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 10-2
(a) Растения
(c) Одноклеточные протисты
10 µm
1.5 µm
40 µm
(d) Цианобактерии
(e) Серо-бактерий
(b) Многоклеточные водоросли

Гетеротрофы получают органические вещества из других организмов
Гетеротрофы являются потребителями биосферы
Почти все гетеротрофы, включая человека, зависят от фотоавтотрофов которые в свою очередь являются источником питания и О2
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Концепция 10.1: Фотосинтез преобразует световую энергию в химическую энергию пищи
Хлоропласты, структурно похож на и, вероятно, произошли от фотосинтезирующих бактерий
Структурная организация этих клеток позволяет химические реакций фотосинтеза
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Хлоропласты - сайт фотосинтеза растении
Листья - основное место для фотосинтеза
Их зеленый цвет исходит из хлорофилла, зеленого пигмента в хлоропластах
Световая энергия поглощаемая хлорофиллом позволяет синтез органических молекул в хлоропластах
СО2 поступает и О2 выходит с листьев через микроскопические поры на листьях называемых устьицами
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Хлоропласты находятся в основном в клетках мезофилла, во внутренней ткани листа
Типичная клетка мезофилла имеет 30-40 хлоропластов
Хлорофилл находятся на мембранах тилакоидов (связанные мешочки в хлоропластах); тилакоиды может быть сложены в колонки называемые гранами
Хлоропласты содержат строму, плотную жидкость
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 10-3
Поперечный срез листа
Сосуд
Кстьица
CO2
O2
Хлоропласт
Клетки мезофилла
Внешняя мембрана
Межмембранное пространство
5 микрометров
Внутренняя мембрана
Тилакоидное пространство
Тилакоид
Грана
Строма
1 µm
Мезофиллл

Фотосинтез можно резюмировать следующим уравнением:
6 CO2 + 12 H2O + энергия света → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Расщепление воды
Хлоропласты расщипляют H2O на водород и кислород, и включают электроны водорода в молекулы сахара
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Реактанты:
Fig. 10-4
6 CO2
Продукт:
12 H2O
6 O2
6 H2O
C6H12O6

Фотосинтез-окислительно-восстановительная реакция
Фотосинтез является окислительно восстановительной реакцией где Н2О окисляется и СО2 восстанавливается
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Две фазы фотосинтеза
Фотосинтез состоит из световой и темновой фазы
Световая фаза (в тилакоидах):
Расщипление H2O
Высвобождение O2
Восстановление НАДФ+ в НАДФН
Ситез AТФ из AДФ путем фотофосфорилирования
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Цикл Кальвина (в строме) образует сахар из CO2, используя AТФ и НАДФН
Цикл Кальвина начинает ся с фиксацией СО2 которая затем вкючается в состав орнанических молекул
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Свет
Fig. 10-5-4
H2O
Хлоропласт
Световая фаза
НАДФ+
Ф
AДФ
i
+
AТФ
НАДФН
O2
Цикл Кальвина
CO2
[CH2O]
(сахар)

Концепция 10.2: Световая фаза превращяет солнечную энергию в химическую энергию ATФ и НАДФН
Хлоропласты являются солнечными батареями растении
Тилакоиды превращяют энергию света в химическую энергию ATФ и НАДФН
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Природа света
Свет является формой электромагнитной энергии, которая также называется электромагнитное излучение
Как и другие электромагнитной энергии, свет проходит по ритмичным волнам
Длина волны является расстояние между гребнями волн
Длина волны определяет тип электромагнитной энергии
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Электромагнитный спектр это - весь спектр электромагнитной энергии, или излучения
Видимый свет состоит из длин волн (в том числе те, которые зажигают фотосинтез), которые производят цвета, которые мы можем видеть
Свет ведет себя так, как будто оно состоит из дискретных частиц, называемых фотонами
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

УФ
Fig. 10-6
Видимый свет
Инфракрасные
Микроволны
Радио лучи
X-лучи
Гамма лучи
103 м
1 м
(109 нм)
106 нм
103 нм
1 нм
10–3нм
10–5 нм
380
450
500
550
600
650
700
750 nm
Длинные волны
Меньше энергии
Юольше энергии
Короткие волны

Фотосинтетические пигменты:световые рецепторы
Пигменты - молекулы, которые поглощают видимый свет
Различные пигменты поглощают различные длины волн
Длины волн, которые не поглощаются отражаются или передаются
Листья являются зелеными, потому что хлорофилл отражает и передает зеленый свет
Animation: Light and Pigments
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 10-7
Отраженный свет
Поглощенный свет
Свет
Хлоропласт
Прошедшии свет
Грана

Fig. 10-9
Длина волны в (нм)
(b) Спектр действия
(a) Спектр поглощения
(c) Эксперимент Энгельмана
Aerobic bacteria
Результат
Скорость фотосинтеза
(измерен в поглощении О2)
Поглощение света хлоропластами
Filament
of alga
Chloro-
phyll a
Хлорофилл b
Каратеноиды
500
400
600
700
700
600
500
400

Хлорофилл является основным пигментом фотосинтеза
Вспомогательные пигменты, такие как хлорофилл b, расшириют спектр, используемый для фотосинтеза
Вспомогательные пигменты - каротиноиды, поглощают излишек света, которые могут повредить хлорофилл
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 10-10
Порфириновое кольцо:
свето-поглощяющая головка молекулы;
магнии находится по середине молекулы
в хлорофилле a
CH3
Углеводородный хвост:
взаимодеиствует с гидрофобными участками белков на мембране тилакоидов; атомы водорода не показаны
CHO
в хлорофилле b

Возбуждение хлорофилла энергией света
Когда пигмент поглощает свет, он идет из не возбужденного состояния в возбужденное состояние, которое является неустойчивым
Когда возбужденные электроны попадают обратно в не возбужденное состояние, фотоны выделяется, послесвечение называется флуоресценции
Светящийся хлорофилл высвечивается, испуская свет и тепло
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 10-11
(a) Возбуждение молекулы хлорофилла
Тепло
Возбужденное состояние
(b) Флоуресценция
Фотон
Не возбужденное состояние
Фотон
(флуоресценция)
Энергия электрона
e–
Хлорофилл

Фотосистема: Комплекс центра реакции связанный со свето-собирательным комплексом
Фотосистема состоит из реакционного центра (вид белкового комплекса) окруженная свето-собирательным комплексом
Свето-собирательный комплекс (пигменты прикрепленные к белкам) наводят энергию фотонов на реакцонный центр
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Первичный акцептор электронов в реакционном центре принимает возбужденный электрон от хлорофилла а
Перенос электрона от хлорофилла а на первичный акцептор электронов является первым шагом световой реакций
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 10-12
Тилакоидное пространство
Строма
e–
Пигментные молекулы
Фотон
перенос энергии
Пара молекул хлорофилла а
тилакоидная мембрана
Фотосистема
Primary
electron
acceptor
Реакционный комплекс
Свето-собирательный комплекс

Есть два типа фотосистем в тилакоидной мембраны
Фотосистема II функционирует (PS II) первой (цифры отражают порядок открытия фотосистем) и лучше поглощает длину волны 680 нм
Реакционный центр хлорофилла ФС II называется Р680
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Фотосистемы I (ФС I), лучше поглощает длину волны 700 нм
Реакционный центр хлорофилла ФС I называется P700
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Linear Electron Flow
Существует 2 пути движение электронов в световой фазе: циклическая и нециклическая
Нециклический путь, основной путь, который проходит через обе фотосистемы и в резултате образует АТФ и НАДФН
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Пигментные молекулы
Свет
P680
e–
2
1
Fig. 10-13-1
Фотосистема II
(ФС II)
Первичный акцептор
Фотон ударяется об пигменты и его энергия передается по пигментам пока она не возбудит электрон P680
Возбужденный электрон Р680 затем переносится на первичный акцептор

Пигментные молекулы
Свет
P680
e–
Первичный акцептор
2
1
e–
e–
2 H+
O2
+
3
H2O
1/2
Fig. 10-13-2
Фотосистема II
(ФС II)
P680+ (P680 которая потеряла электрон) преврящается в очень сильный окислитель
H2O расщипляется ферменом, и электрон волорода переносится на P680+, который затем восстанавлявается до P680 обратно.
O2 высвобождается как конечный продукт данной реакции

Затем электрон от первичного акцептора переносится по белкам электронно транспортной цепи(на мембране тилакоида) к Фотосистеме I (ФСI)
Энергия которая высвобождаемая при переносе электронов по ЭТЦ используется для закачивания протонов (Н+) во внутрь тилакойдов.
В результате созданного градиента Н+, протон диффундирует по градиенту обратно в строму через АТФ синтетазу, образуя АТФ
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Пигментные молекулы
Свет
P680
e–
Первичный акцептор
2
1
e–
e–
2 H+
O2
+
3
H2O
1/2
4
Пх
Пц
Комплекс цитохромов
ЭТЦ
5
АТФ
Fig. 10-13-3
Фотосистема II
(PS II)
Затем электрон от первичного акцептора переносится по белкам электронно транспортной цепи(на мембране тилакоида) к Фотосистеме I (ФСI)
Энергия которая высвобождаемая при переносе электронов по ЭТЦ используется для закачивания протонов (Н+) во внутрь тилакойдов.
В результате созданного градиента Н+, протон диффундирует по градиенту обратно в строму через АТФ синтетазу, образуя АТФ

Свет попавшии на ФС I так же возбуждает электрон P700 и переносит его на первичный акцептор
Образовавшаяся дыра от электрона в P700+ заполняется электроном идущей от ФС II.
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Пигментные молекулы
свет
P680
e–
первичный акцептор
2
1
e–
e–
2 H+
O2
+
3
H2O
1/2
4
Пх
Пц
Комплекс цитохрома
ЭТЦ
5
ATФ
ФотосистемаI
(ФС I)
Свет
Первичный акцептор
e–
P700
6
Fig. 10-13-4
Фотосистема II
(ФС II)

Электро от первичного акцептора Р700 переносится по ЭТЦ к белковому комплексу, ферродоксину (Фд)
Этот жлектрон затем используется для восстановления НАДФ+ до НАДФН
Электрон в составе НАДФН затем используется для реакции в цикле Кальвина
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Pigment
molecules
Light
P680
e–
Primary
acceptor
2
1
e–
e–
2 H+
O2
+
3
H2O
1/2
4
Pq
Pc
Cytochrome
complex
Electron transport chain
5
ATP
Photosystem I
(PS I)
Свет
Первичный акцептор
e–
P700
6
Фд
ЭТЦ
НАДФ+ редуктаза
НАДФ++
+ H+
НАДФН
8
7
e–
e–
6
Fig. 10-13-5
Photosystem II
(PS II)

Cyclic Electron Flow
Циклическая фотосистема только использует ФС I и образует только АТФ
Этим самым нужда в АТФ может заполниться для дальнейшего использования в цикле Кальвина
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 10-15
АТФ
Photosystem II
Фотосистема I
Primary
acceptor
Пц
Комплекс цитохрома
Fd
Пц
Первичный акцептор
Фд
НАДФ+ редуктаза
НАДФН
НАДФ+
Н+

Некоторые организмы как серные бактерий имеют только ФС I
Есть гипотеза что циклический путь был развит первее у организмов в процессе эволюции
Циклический путь мог уберечь организмы от вреда наносимого от света
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 10-16
Элементы
Митохондрия
Хлоропласт
Структура хлоропласта
Структура митохондрии
Межмембранное пространсвто
Внутренняя мембрана
ЭТЦ
H+
Диффузия
Матрикс
Больше [H+]
Меньше [H+]
Строма
АТФ синтетаза
AДФ + Ф
i
H+
ATP
Тилакоидное пространсвто
Тилакоидная мембрана

АТФ и НАДФН образуются на стороне стромы которые затем используются в цикле Кальвина
В кратце световая фаза синтезирует АТФ увеличивая потенциальную энергию электрона в процессе переноса от Н2О к НАДФН
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 10-17
Свет
Фд
Комплекс цитохрома
AДФ
+
i
H+
АТФ
Ф
АТФ
синтетаза
к циклу
Кальвина
строма
(lнизкая концентрация Н+)
Тилакоидная мембрана
Тилакоидное пространсвто
(высокая концентрация Н+)
Строма
(низкая концентрация Н+
Фотосистема II
Фотосистема I
4 H+
4 H+
Пх
Пц
Свет
НАДФ
редуктаза
НАДФ+ + H+
НАДФН
+2 H+
H2O
O2
e–
e–
1/2
1
2
3

Концепция 10.3: Цикл Кальвина использует АТФ и НАДФН чтобы синтезировать сахар
Цикл Кальвина, как в цикле лимонной кислоты, восстанавливает его исходный материал после как молекулы входят и выходят из цикла
Цикл строит сахар из небольших молекул с помощью АТФ и уменьшения мощности электронов осуществляется с помощью НАДФН
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Углерод входит в цикл в виде CO2 и выходит в виде сахара глицеральдегид-3-фосфата (Г3Ф)
Для синтеза 1 молекулы Г3Ф, цикл должен пройти 3 раза, и фиксировать 3 молекулы CO2
Цикл Кальвина состоит из трех фаз:
Фиксация углерода (катализируется РУБИСКО( рибулоза-бисфосфат карбоксилаза)
Восстановления
Регенерация акцептора CO2 (РиБФ)
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., ishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 10-18-3
Рибулоза-бисфосфат
(РиБФ)
3-Фосфоглицерат
Промежуточный продукт
Фаза 1: Фиксация СО2
(Заходит по одной)
Рубиско
Вход
CO2
P
3
6
3
3
P
P
P
P
АТФ
6
6 AДФ
P
P
6
1,3-Бисфосфоглицерат
6
P
P
6
6
6 НАДФ
НАДФН
i
Фаза 2:
Восстановления
Глицеральдегид-3-фосфат
(Г3Ф)
1
P
Г3Ф
(сахар)
Глюкоза и другие органические продукты
Цикл Кальвина
3
3 AДФ
AТФ
5
P
Фаза 3:
Регенерация акцептора СО2
Г3Ф
Выход

Concept 10.4: Альтернативные способы фиксации СО2 в сухих и жарких климатах
Обезвоживание растений иногда ставит растения перед выбором осуществления фотосинтеза. ( так как в фотосинтезе используется вода)
В жарких климатических условиях устьица растений закрываются для сохранения больше воды и фотосинтез также уменьшается
Закрывание устьиц прекращает вход СО2 в растении и прриводит к накоплению О2 внутри.
Этот процесс благоприятно действует на процесс фотодыхания
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Фотодыхание
Во многих растениях(C3 plants), фиксация СО2 через Рубиско образует трех углеродные соединения
В процессе фотодыхания,Рубиско включает O2 вместо CO2 в цикл Кальвина
Фотодыхание употребляет O2 органические соединения и образует CO2 без образования АТФ и сахара
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Фотодыхание может быть эволюционным реликтом, потому что Rubisco впервые появились в то время, когда атмосфера была гораздо меньше O2 и больше СО2,
Фотодыхание ограничивает пагубные продукты световых реакций, которые строят в отсутствие цикла Кальвина
У многих растений, фотодыхание является проблемой, потому что в жаркий, сухой день может истощить целых 50% от углерода, фиксируемого циклом Кальвина
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

C4 Растения
C4-растени минимизировать эффект фотодыхания путем включения CO2 в четырех углеродных соединений в клетках мезофилла
Этот шаг требует фермент ФЕП-карбоксилазы
ФЕП карбоксилазы имеет высокое сродство к СО2, чем RUBISCO ; он может фиксировать СО2 даже при низких концентрации CO2
Эти четырех углеродное соединение экспортируется в клетки обкладки, где они высвобождают CO2, который затем используется в цикле Кальвина
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 10-19
C4 анатомия листа
клетки мезофилла
Фотосинтетические клетки С4 растений
клетки обкладки
сосуды
Устьице
C4 путь
Клетки мезофилла
CO2
ФЕП карбоксилаза
Оксалоацетат (4C)
Малат (4C)
ФЕП (3C)
AДФ
ATФ
Пируват (3C)
CO2
Клетки обкладки
Цикл кальвина
Сосудистые ткани
Сахар

CAM Растения
Некоторые растения, в том числе суккуленты, используют CAM путь метаболизма, чтобы фиксировать углерода (СО2)
CAM растения открывают свои устьица ночью и включают СО2 в органические кислоты
Устьица закрываются в течение дня, и CO2 высвобождается из органических кислот и используются в цикле Кальвина
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings