Определение фотосинтеза
Фотосинтез – это биохимический путь, который преобразует энергию света в связи молекул глюкозы. Процесс фотосинтеза происходит в два этапа. На первом этапе энергия света сохраняется в связях аденозинтрифосфата (АТФ) и никотинамидадениндинуклеотидфосфата (NADPH ). Эти два сохраняющих энергию кофактора затем используются на втором этапе фотосинтеза для получения органических молекул путем объединения молекул углерода, полученных из диоксида углерода (CO2). Второй этап фотосинтеза известен как Calvin Cycle, Эти органические молекулы могут быть использованы митохондрии для производства АТФ, или они могут быть объединены с образованием глюкозы, сахароза и другие углеводы. Химическое уравнение для всего процесса можно увидеть ниже.
Уравнение фотосинтеза
6 CO2 + 6 H2O + свет -> C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
Выше общая реакция на фотосинтез. Используя энергию света, а также водороды и электроны из воды, растение объединяет углерод, содержащийся в углекислом газе, в более сложные молекулы. В то время как 3-углеродный молекула является прямым результатом фотосинтеза, глюкоза – это просто две из этих молекул, вместе взятых, и часто представляется как прямой результат фотосинтеза из-за того, что глюкоза является основной молекулой во многих клеточных системах. Вы также заметите, что в качестве побочного продукта образуется 6 газообразных молекул кислорода. Растение может использовать этот кислород в своих митохондриях во время окислительного фосфорилирования, Хотя некоторое количество кислорода используется для этой цели, большая часть выбрасывается в атмосферу и позволяет нам дышать и подвергаться нашему собственному окислительному фосфорилированию на молекулах сахара, полученных из растений. Вы также заметите, что это уравнение показывает воду с обеих сторон. Это связано с тем, что 12 молекул воды расщепляются во время световых реакций, а 6 новых молекул образуются во время и после цикла Кальвина. Хотя это общее уравнение для всего процесса, есть много отдельных реакций, которые способствуют этому пути.
Этапы фотосинтеза
Легкие Реакции
Световые реакции происходят в тилакоидных мембранах хлоропластов растительных клеток. Тилакоиды имеют плотно упакованные кластеры белков и ферментов, известные как фотосистемы. Существуют две из этих систем, которые работают совместно друг с другом для удаления электронов и водородов из воды и передачи их в кофакторы ADP и NADP +. Эти фотосистемы были названы в том порядке, в котором они были обнаружены, что противоположно тому, как электроны проходят через них. Как видно на изображении ниже, электроны, возбуждаемые световой энергией, протекают сначала через фотосистему II (PSII), а затем через фотосистему I (PSI), создавая NADPH. АТФ создается белком АТФ-синтаза, который использует накопление атомов водорода, чтобы стимулировать добавление фосфатных групп к ADP.
Вся система работает следующим образом. Фотосистема состоит из различных белков, которые окружают и связывают ряд молекул пигмента. Пигменты – это молекулы, которые поглощают различные фотоны, позволяя их электронам возбуждаться. хлорофилл а является основным пигментом, используемым в этих системах, и собирает окончательный перенос энергии перед высвобождением электрона. Фотосистема II запускает этот процесс электронов, используя световую энергию для расщепления молекулы воды, которая выделяет водород и откачивает электроны. Затем электроны пропускаются через пластохинон, ферментный комплекс, который выделяет больше водорода в тилакоидное пространство. Затем электроны протекают через комплекс цитохрома и пластоцианина, чтобы достичь фотосистемы I. Эти три комплекса образуют цепь переноса электронов во многом как тот, который видели в митохондриях. Фотосистема I затем использует эти электроны, чтобы стимулировать восстановление NADP + до NADPH. Дополнительный АТФ, образующийся во время световых реакций, происходит из АТФ-синтазы, которая использует большой градиент молекул водорода для управления образованием АТФ.
Цикл Кальвина
С его электронными носителями NADPH и ATP, загруженными электронами, завод теперь готов к производству запасной энергии. Это происходит во время цикла Кальвина, который очень похож на цикл лимонной кислоты, наблюдаемый в митохондриях. Тем не менее, цикл лимонной кислоты создает АТФ других электронных носителей из 3-углеродных молекул, в то время как цикл Кальвина производит эти продукты с использованием НАДФН и АТФ. Цикл состоит из 3 фаз, как показано на рисунке ниже.
На первом этапе углерод добавляется к 5-углеродному сахару, создавая нестабильный 6-углеродный сахар. На втором этапе этот сахар восстанавливается в две стабильные молекулы углерода с 3 углеродами. Некоторые из этих молекул могут использоваться в других метаболических путях и экспортироваться. Остальные остаются для продолжения цикла по циклу Кальвина. На третьем этапе пятиуглеродный сахар регенерируется, чтобы начать процесс заново. Цикл Кальвина происходит в строма из хлоропласт, Хотя они не считаются частью цикла Кельвина, эти продукты могут быть использованы для создания различных сахаров и структурных молекул.
Продукты фотосинтеза
Непосредственными продуктами световых реакций и цикла Кальвина являются 3-фосфоглицерат и G3P, две разные формы молекулы сахара с 3 углеродами. Две из этих объединенных молекул равняются одной молекуле глюкозы, продукт, видимый в уравнении фотосинтеза. Хотя это основной источник питания для растений и животных, эти 3-углеродные скелеты могут быть объединены во многие различные формы. Структурной формой, заслуживающей внимания, является целлюлоза и чрезвычайно прочный волокнистый материал, состоящий в основном из нитей глюкозы. Помимо сахаров и молекул на основе сахара, кислород является другим основным продуктом фотосинтеза. Кислород, созданный из фотосинтеза, питает каждое дыхание организм на планете.
викторина
1. Для завершения цикла Кельвина требуется углекислый газ. Углекислый газ попадает внутрь растения через устьица или через небольшие отверстия на поверхности лист, Чтобы избежать потери воды и полного обезвоживания в жаркие дни, растения закрывают свои устьица. Могут ли растения продолжать проходить фотосинтез?A. Да, пока есть светB. Нет, без CO2 процесс не может продолжатьсяC. Только легкая реакция будет продолжаться
Ответ на вопрос № 1
В верно. Без способности обменивать кислород с углекислым газом цикл Кальвина завода остановится. Белок, ответственный за фиксацию углекислого газа, вместо этого начнет связываться с кислородом. Без места для ATP и NADPH эти концентрации станут перенасыщенными и могут начать снижать pH в клетка, Растения развили много ответов на это, таких как фотодыхание, путь C4 и путь CAM.
2. Почему продукты фотосинтеза важны для нефотосинтезирующих организмов?A. Это основа большинства энергии на ЗемлеB. Им нужны второстепенные питательные вещества, собранные растениямиC. Они не важны для облигатных хищников
Ответ на вопрос № 2
верно. При изучении экологических пищевых сетей организмы, обладающие способностью к фотосинтезу, известны как первичные продуценты. Даже обязательные хищники, или животные, которые едят только мясо, получают энергию от солнца. Помимо странной серы бактерии и другие незначительные группы первичных производителей, большая часть накопленной химической энергии, на которую полагаются животные, поступает непосредственно из фотосинтеза.
3. Зачем растениям вода?A. Для фотосинтезаB. Для структурыC. Для переноса питательных веществD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 3
D верно. Растения используют воду для всех вышеперечисленных целей. Постоянный поток воды от корней к листьям переносит необходимые питательные вещества. Затем молекулы воды расщепляются, а различные компоненты используются для выработки химической энергии. Кроме того, когда вода проталкивается в клетки, клеточные стенки сдвигаются вместе, чтобы дать растению поддержку и структуру.
Ссылки
- Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C.A., Krieger, M., Scott, M.P., Bretscher, A.,. , , Мацудайра, П. (2008). Молекулярно-клеточная биология редактор Нью-Йорк: W.H. Фримен и Компания.
- Нельсон Д.Л. и Кокс М.М. (2008). Принципы биохимия, Нью-Йорк: W.H. Фримен и Компания.