Фотосинтез. История изучения вопросв фотосинтеза презентация

«Природа поставила себе задачей уловить на лету притекающий на Землю свет, превратить эту подвижнейшую из сил природы в твердую форму и собрать ее в запас. Для этого она покрыла земную кору организмами, которые в течение своей жизни поглощают солнечный свет и превращают потребляемую таким образом силу в непрерывно нарастающий запас химической разности. Эти организмы - растения»
Роберт Майер

Основополагающий вопрос
Какова роль растений в биосфере?

Проблемные вопросы
Как энергия кванта света преобразуется в энергию того первичного вещества, которое потом дает энергию для синтеза органических веществ?
Почему растения ночью «отдыхают», несмотря на то, что недостатка в электромагнитных излучени-ях, попадающих на листья, нет: земля сама излу-чает инфракрасные лучи, да и растение в процессе своей жизнедеятельности также их излучает?

Опорные точки урока
История изучения процесса фотосинтеза
Фотосистемы
Особенности строения листьев
Строение хлоропластов
Фазы фотосинтеза
- световая фаза - темновая фаза
Общая схема фотосинтеза
Влияние на скорость фотосинтеза различных факторов
Значение фотосинтеза

Основные понятия урока
Фотосинтез
фотосистема
Хлоропласты
Тилакоиды
Граны
Строма
Ламеллы
Световая фаза
Темновая фаза
Фосфорилирование
Цикл Кальвина

История изучения процесса фотосинтеза
Ян ван Гельмонт. XVII век. Эксперимент по выращиванию ивы в кадке. Вывод: растение образует все вещества из воды.
Мерчелло Мальпиги. 1667 год. Растение перестает развиваться, если у проростков тыквы оборвать первые зародышевые листочки. Вывод: под действием солнечных лучей в листьях растений происходят какие-то преобразования и испаряется вода.

Опыт Ван Гельмонта.
растение увеличилось в размерах и массе за 5 лет на 74 кг

История изучения процесса фотосинтеза
Середина XVIII века. Шарль Бонне решал проблему: откуда берется воздух, покрывающий листья растений, погруженных воду и выставленных на солнце. Вывод: растение не играет существенной роли в процессе выделения воздуха, он собирается из воды на поверхности листа. (?)
Джозеф Пристли. 1772 год. Знаменитый опыт со свечой и мятой. Вывод: растение улучшает воздух и делает его пригодным для дыхания и горения. Первое предположение о роли света в жизнедеятельности растений.

Опыты Джозефа Пристли 1771г.

История изучения процесса фотосинтеза
Жан Сенебье. 1800 год. Установил, что листья разлагают углекислый газ под действием сол-нечного света.
Вторая половина XIX века. Получена спирто-вая вытяжка зеленого цвета с сильной крова-во-красной флюоресценцией. Это вещество названо хлорофиллом.
Роберт Майер. Вывод: количество отлагающе-гося в растениях углерода должно зависеть от количества падающего на растение света.

История изучения процесса фотосинтеза
Климент Аркадьевич Тимирязев.
Исследовал влияние различных участков солнечного света процесс фотосинтеза.
Вывод: процесс фотосинтеза идет интенсивно в красных лучах; интенсивность фотосинтеза соответствует поглощению света хлорофиллом; усваивая углерод, растение усваивает и солнечный свет, переводя его энергию в энергию органических веществ.
Лондонское королевское общество.1903 год.
Лекция «Космическая роль растений»

Фотосистемы
Фотосистема – I. Фотосинтезирующие бактерии.
СО2 + 2Н2S + световая энергия (СН2О)+Н2О+2S
Фотосистема – II. От сине-зеленых водорослей до настоящих растений.
СО2 +2Н2О +световая энергия (СН2О) +Н2О+О2

Особенности строения листьев
Плоские, широкие, большая поверхность
Эпидермис – бесцвет-ный защитный слой с устьицами
Тонкостенные клетки ассимиляционной тка-ни
Сосудисто-волокнистые пучки

Локализация фотосинтетического аппарата в клетке зеленого растения

ХЛОРОПЛАСТ
ЯДРО
ВАКУОЛЬ
ГРАНА
СТРОМА
ТИЛАКОИД
ЛЮМЕН

Строение хлоропластов
Двумембранные органоиды
Внутренняя часть строма
Тилакоиды – мембраные компоненты, образу-ющие граны
Ламеллы (одиночные тилакоиды) соединяют граны
У высших растений эллиптической формы
В зависимости от освещенности меняют свое положение

Строение хлоропластов
Хлоропласт – двумембранный органоид двояковыпуклой формы. Это обеспечивает лучшее поглощение света. Цвет зависит от наличия хлорофилла. Количество в клетке 40-60 штук. Размер: 3-4 до 16-20 мкм.

Виды хлорофилла
Наиболее распространены хлорофиллы а, b
Хлорофилл а – желто-зеленая окраска, поглощает свет наиболее интенсивно в красном и ультрафиолетовом спектрах. Имеется у всех растений.
Хлорофилл b – сине-зеленого цвета поглощает энергию в фиолетовом спектре, значительно меньше в красном. Встречается у высших растений и зеленых водорослей.
Хлорофилл с – зеленой окраски есть у бурых и некоторых одноклеточных водорослей.

Строение и свойства хлорофилла
В состав хлоропластов входит два вида хлорофилла:
COOCH3
С32Н30ОN4Mg COOC20H39
COOCH3
С32Н28О2N4Mg COOC20H39
Хлорофилл а
С55Н72О5N4Мg
сине-зеленого цвета
Хлорофилл в
С55Н70О6N4Мg
желто-зеленого цвета
- Хлорофилл имеет зелёную окраску, нерастворим в воде, растворим
в органических растворителях- спиртах, эфирах.
- Хлорофилл поглощает почти все красные и сине – фиолетовые лучи.
Зелёные лучи поглощаются слабо, чем и обусловлена зелёная окраска растений.

Хлорофилл
Для более полного использования падающего на листья света, энергия фотонов улавливается 200-400 молекулами пигментов светособирающего (антенного) комплекса и передается к одной молекуле хлорофилла, являющейся реакционным центром, которая и участвует в фотохимических реакциях.

Электрон в составе молекулы хлорофилла, и энергия фотона переходит в энергию перемещения электрона на вышележащую орбиталь, т.е. на более высокий энергетический уровень.
Атом молекулы хлорофилла
ЭТОТ ЭЛЕКТРОН ПЕРЕДАЕТСЯ ПО ЦЕПИ ЦИТОХРОМОВ
Фотон света

ФОТОСИНТЕЗ
Биологический смысл: преобразование солнечной энергии в химическую энергию органических соединений.

ФОТОСИНТЕЗ
СВЕТОВАЯ ФАЗА
ТЕМНОВАЯ ФАЗА
Молекулы пигментов поглощают фотоны, передают поглощенную энергию молекулам хлорофилла, происходит трансформация энергии света в химическую энергию АТФ и восстановленного НАДФ*Н, выделяется кислород в результате фоторазложения воды. Эти процессы происходят на мембранах хлоропластов.
В строме хлоропластов восстанавливается поглощенный СО2 с образованием углеводов и других органических соединений.

Фотосинтез
Световая фаза
Темновая фаза

Световая фаза
Протекает только под действием солнечной энергии. Реакции световой фазы происходят на мембранах тилакоидов, где располагается фотосинтезирующий пигмент — хлорофилл.
В световую фазу происходит несколько процессов:
1) возбуждение хлорофилла квантами света и перемещение возбужденных электронов;
2) фотолиз воды под действием света, образование кислорода и протонов водорода;
3) синтез молекул АТФ за счет энергии возбужденных электронов;
4)соединение водорода с переносчиком НАДФ+ (никотинамид-адениндинуклеотидфосфат) и образование НАДФ-Н2.

Механизм световой фазы фотосинтеза
Фотосистема 1
Фотосистема 2
Р700
Р680
Z
Р430
Ферредоксин
Редуктаза
НАДФ*
НАДФ*Н
е
е
Пластохинон
Цитохром b
Цитохром f
Пластоцианин
АТФ
АДФ
е
2Н2О
4Н*
О2
4е
е
hy
hy

1) Квант света поглощается фотосистемой I (Р700), возбуждённые светом электроны по цепи переносчиков переносятся на наружную сторону мембраны и создают отрицательно заряженное электрическое поле.
Возникшая в Р700 «Дырка» заполняется возбуждённым под действием света электроном из фотосистемы II (680).
«Дырка» в фотосистеме II заполняется электронами, образующимися в результате фотолиза воды (разрушение воды под действием света).
фотосистема1
Фотосистема 2
НАДФ+
НАДФ•Н2
СВЕТ
СВЕТ
н
ē
ē

2) Фотолиз воды
А) Под действием света вода разлагается на : H2O → H+ +OH-
Б) Ионы гидроксила отдают свои электроны, превращаясь в реакционно-способные радикалы ОН:
OH- - e- → OH
В) Образующиеся электроны передаются переносчиками к молекулам хлорофилла и восстанавливают их, а ради-калы ОН объединяются, образуя воду и свободный кислород
4OH→ 2H2O + O2↑
Фотолиз воды идет на внутренней поверхности мембраны тилакоида, которая непроницаема для ионов водорода. Они скапливаются в тилакоидном пространстве, в так называемом протонном (Н+)-резервуаре, образуя положительно заряженное электрическое поле, что приводит к увеличению разности потенциалов по обе стороны мембраны тилакоида

3) При достижении критической разности потенциалов (200 миллиВ) протоны Н+ устремляются по протонному ка- налу в ферменте АТФ-ситетаза, встроенном в мембрану тилакоида, наружу. На выходе из протонного канала создаётся высокий уровень энергии, которая идёт на синтез АТФ (АДФ + Ф = АТФ). Далее молекулы АТФ переходят в строму, где участвуют в реакциях фиксации углерода.
4). Протоны Н+, вышедшие на поверхность мембраны тила-коида, соединяются с электронами, образуя атомарный водород Нo , который идёт на восстановление переносчика НАДФ+:
2е + 2Н++ НАДФ+ = НАДФ∙Н2.

Фазы фотосинтез
- световая фаза (3с.) (перенос электронов в процессе фосфорилирования)

Схема расположения фотосистем , цепи переносчиков электронов и АТФ- синтетазы в мембране тилакоидов
1.Пигменты фотосистемы 2 обращены внутрь тилакоида;
2. Фотолиз воды происходит около фотосистемы 2;
3. Электроны фотолиза воды переходят в фотосистему 2.
4. Электроны фотосистемы 2 переходят в фотосистему 1.
5. Электроны фотосистемы 2 переходят в фотосистему 1 по цепи переносчиков е, встроенных в мембрану тилакоида.
6. Пигменты фотосистемы 1 обращены на наружную поверхность мембраны тилакоида.
7. Протоны из протонного резервуара выходят в строму через протонный канал в мембране.

Схема расположения фотосистем 1 и 2, цепи переносчиков электронов и АТФ – синтетазы в мембране тилакоида.
Если измерить рН в строме хлоропласта и внутри
тилакоида, то получатся разные значения.
Почему? Ответ обоснуйте.

Протекающие реакции
Разложение воды под действием энергии света
Образование водорода и выделение свободного кислорода
Накопление энергии в результате синтеза АТФ
Связывание водорода с переносчи-ком

Темновая фаза фотосинтеза
Условия, необходимые для протекания
темновой фазы фотосинтеза:
1.Углекислый газ (СО2);
2.Энергия АТФ, НАДФ*Н;
3.Ферменты;
4. Акцептор СО2 – 1,5 – рибулозодифосфат.

Протекающие реакции
Фиксация углекислого газа
Восстановление углекислого газа водородом
Синтез глюкозы за счет энер-гии АТФ

12 молекул
Дифосфоглицериновой к-ты
Цикл Кальвина
+
6 молекул
1,5 - рибулозодифосфат
12 молекул
Фосфоглицериновой к-ты
12 молекул АТФ
12 молекул
триозофосфат
12 НАДФ*Н
карбоксилирование
восстановление
6 молекул
рибулозомонофосфат
6СО2
1 молекула
глюкозы
превращение
6 молекул АТФ

1. 6С + 6С5 С6
карбоксилирование
1,5 дифосфаткарбоксилаза
2. С6 2С3
3. 2С3 С6
Группа ферментов
Фруктозо-6-фосфат
С6
глюкоза
фермент
превращение
4. С6 крахмал
фермент
полимеризация
гидролиз
СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЙ В ЦИКЛЕ КАЛЬВИНА
12 АТФ + 12 НАДФ*Н
Сколько молекул глюкозы образуется при цикле Кальвина ?
Сколько нужно молекул углекислого газа, чтобы синтезировать
1 молекулу глюкозы?
Сколько молекул АТФ и НАДФ*Н нужно затратить для
производства 1 молекулы глюкозы?

ТЕМНОВАЯ фаза
Место:
строма
Цикл Кальвина
6
5
4
7
8
9
10
11
12
13
3
1
2
РИБФ
СО
2
2АТФ
Н
НАДФ
2
АТФ
глюкоза
2НАДФ
АДФ
крахмал
целлюлоза
белки
липиды
полимеризация
На образование С6Н12О6
необходимо 6 оборотов
цикла Кальвина:
6СО2, 12 Н, 18АТФ
2АДФ
Цикл Кальвина
+

Фазы фотосинтеза. Темновая фаза

Общая схема фотосинтеза

Фотосинтез (от греч. photos — свет и synthesis — соединение) Фотосинтез- это процесс образования органических веществ из неорганических при участии световой энергии.
Фотосинтез- это процесс совокупность процессов поглощения, превращения и использования световой энергии для образования органических веществ из неорганических.
Суммарное уравнение фотосинтеза

Влияние на скорость фотосинтеза различных факторов
Длина световой волны
Степень освещенности
Концентрация углекислого газа
Температура
Вода

Значение фотосинтеза
«..
Значение фотосинтеза
Используется 1% падающей энергии, продуктивность около 1 г на 1 кв. м.
Выделяется кислорода при фотосинтезе в 20-30 раз больше, чем поглощается при дыхании.
Без фотосинтеза запас кислорода был бы израсходован в течение
3 000 лет.

РОСЯНКА
Все ли растения способны к фотосинтезу?

Саррацерия пурпурная

Венерина мухоловка
(Dionaea muscipula) - насекомоядное растение, способное питаться с помощью фотосинтеза, встречается в районах песчаных кустарниковых болот в прибрежной части Северной и Южной Каролины. Частые в этих местах пожары уничтожают конкурирующие с мухоловкой растения и приводят к дефициту азота в почве.
А венерина мухоловка, обладая уникальным приспособлением
для ловли насекомых, получает дополнительный источник
незаменимых питательных веществ (главным образом азота и
фосфора), которых лишены растения,
добывающие их из почвы.

НЕПЕНТЕС

Значение фотосинтеза
« … связь между солнцем и зеленым листом приводит нас к самому широкому, самому обобщающему представлению о растении. В нем раскрывается перед нами космическая роль растений. …микроскопическое зеленое зерно хлорофилла является фокусом в мировом пространстве, в который с одного конца притекает энергия солнца. А с другого берут начало все проявления жизни на Земле. Похищенный им луч солнца горит и в мерцающей лучине и в ослепительной искре электричества. Луч солнца приводит в движение и чудовищный маховик паровой машины, и кисть художника, и перо поэта». К.А. Тимирязев

Значение фотосинтеза
«..
Значение фотосинтеза
Используется 1% падающей энергии, продуктивность около 1 г на 1 кв. м.
Выделяется кислорода при фотосинтезе в 20-30 раз больше, чем поглощается при дыхании.
Без фотосинтеза запас кислорода был бы израсходован в течение
3 000 лет.