Welche Substanzen werden während der Photosynthese verbraucht. Der biologische Vorgang der Photosynthese und seine Bedeutung in der Natur

Wie der Name schon sagt, ist die Photosynthese im Wesentlichen eine natürliche Synthese organischer Substanzen, die CO2 aus der Atmosphäre und Wasser in Glukose und freien Sauerstoff umwandelt.

Dies erfordert das Vorhandensein von Sonnenenergie.

Die chemische Gleichung des Photosyntheseprozesses kann allgemein wie folgt dargestellt werden:

Die Photosynthese hat zwei Phasen: dunkel und hell. chemische Reaktionen Die Dunkelphase der Photosynthese unterscheidet sich deutlich von den Reaktionen der Hellphase, jedoch hängen Dunkel- und Hellphase der Photosynthese voneinander ab.

Die Lichtphase kann bei Pflanzenblättern ausschließlich im Sonnenlicht auftreten. Für einen dunklen ist das Vorhandensein von Kohlendioxid erforderlich, weshalb die Pflanze es ständig aus der Atmosphäre aufnehmen muss. Alle vergleichenden Eigenschaften der dunklen und hellen Phasen der Photosynthese werden unten angegeben. Dazu wurde eine Vergleichstabelle „Phasen der Photosynthese“ erstellt.

Lichtphase der Photosynthese

Die Hauptprozesse in der Lichtphase der Photosynthese finden in Thylakoidmembranen statt. Es beinhaltet Chlorophyll, Elektronentransportproteine, ATP-Synthetase (ein Enzym, das die Reaktion beschleunigt) und Sonnenlicht.

Der Reaktionsmechanismus kann weiter wie folgt beschrieben werden: Wenn Sonnenlicht auf die grünen Blätter von Pflanzen trifft, werden Chlorophyll-Elektronen (negative Ladung) in ihrer Struktur angeregt, die, nachdem sie in einen aktiven Zustand übergegangen sind, das Pigmentmolekül verlassen und auf dem Farbstoffmolekül landen Außenseite des Thylakoids, dessen Membran ebenfalls negativ geladen ist. Gleichzeitig werden Chlorophyllmoleküle oxidiert und bereits oxidierte werden wiederhergestellt, wodurch dem Wasser, das sich in der Blattstruktur befindet, Elektronen entzogen werden.

Dieser Prozess führt dazu, dass Wassermoleküle zerfallen und die durch Photolyse von Wasser entstehenden Ionen ihre Elektronen abgeben und sich in solche OH-Radikale verwandeln, die weitere Reaktionen durchführen können. Darüber hinaus werden diese reaktiven OH-Radikale kombiniert, wodurch vollwertige Wassermoleküle und Sauerstoff entstehen. Dabei wird freier Sauerstoff freigesetzt Außenumgebung.

Als Ergebnis all dieser Reaktionen und Umwandlungen wird die Blattthylakoidmembran einerseits positiv (durch das H + -Ion) und andererseits negativ (durch Elektronen) geladen. Wenn der Unterschied zwischen diesen Ladungen auf den beiden Seiten der Membran mehr als 200 mV erreicht, passieren Protonen spezielle Kanäle des Enzyms ATP-Synthetase und dadurch wird ADP in ATP umgewandelt (als Ergebnis des Phosphorylierungsprozesses). Und atomarer Wasserstoff, der aus Wasser freigesetzt wird, stellt den spezifischen Trägerstoff NADP+ wieder zu NADP H2 her. Wie Sie sehen können, laufen als Ergebnis der Lichtphase der Photosynthese drei Hauptprozesse ab:

ATP-Synthese;
Erstellung von NADP H2;
Bildung von freiem Sauerstoff.

Letzteres wird in die Atmosphäre freigesetzt und NADP H2 und ATP nehmen an der Dunkelphase der Photosynthese teil.

Dunkelphase der Photosynthese

Die dunklen und hellen Phasen der Photosynthese sind gekennzeichnet durch zu großen Kosten Energie aus der Pflanze, aber die Dunkelphase ist schneller und benötigt weniger Energie. Dunkelphasenreaktionen benötigen kein Sonnenlicht, sodass sie Tag und Nacht auftreten können.

Alle Hauptprozesse dieser Phase finden im Stroma des pflanzlichen Chloroplasten statt und stellen eine Art Kette aufeinanderfolgender Umwandlungen von Kohlendioxid aus der Atmosphäre dar. Die erste Reaktion in einer solchen Kette ist die Fixierung von Kohlendioxid. Damit es reibungsloser und schneller läuft, hat die Natur das Enzym RiBP-Carboxylase bereitgestellt, das die Fixierung von CO2 katalysiert.

Dann findet ein ganzer Reaktionszyklus statt, dessen Abschluss die Umwandlung von Phosphoglycerinsäure in Glucose (natürlicher Zucker) ist. Alle diese Reaktionen nutzen die Energie von ATP und NADP H2, die in der Lichtphase der Photosynthese entstanden sind. Neben Glukose werden auch andere Stoffe durch Photosynthese gebildet. Darunter sind verschiedene Aminosäuren, Fettsäuren, Glycerin sowie Nukleotide.

Photosynthesephasen: Vergleichstabelle

*Vergleichskriterien*	*Lichtphase*	*Dunkle Phase*
Sonnenlicht	Obligatorisch	Nicht benötigt
Ort der Reaktionen	Chloroplast grana	Chloroplastenstroma
Abhängigkeit von der Energiequelle	Abhängig vom Sonnenlicht	Hängt von ATP und NADP H2 ab, das in der leichten Phase gebildet wird, und von der CO2-Menge aus der Atmosphäre
Ausgangsmaterialien	Chlorophyll, Elektronenträgerproteine, ATP-Synthetase	Kohlendioxid
Das Wesen der Phase und was gebildet wird	Freies O2 wird freigesetzt, ATP und NADP H2 werden gebildet	Die Bildung von natürlichem Zucker (Glukose) und die Aufnahme von CO2 aus der Atmosphäre

Photosynthese - Video

Es gibt drei Arten von Plastiden:

Chloroplasten- grün, Funktion - Photosynthese
Chromoplasten- rot und gelb, sind baufällige Chloroplasten, können den Blütenblättern und Früchten eine leuchtende Farbe verleihen.
Leukoplasten- farblos, Funktion - Stoffvorrat.

Die Struktur der Chloroplasten

mit zwei Membranen bedeckt. Die äußere Membran ist glatt, die innere hat Auswüchse im Inneren - Thylakoide. Stapel von kurzen Thylakoiden werden genannt Körner vergrößern sie die Fläche der inneren Membran, um darauf möglichst viele Photosynthese-Enzyme unterzubringen.

Die innere Umgebung des Chloroplasten wird als Stroma bezeichnet. Es enthält zirkuläre DNA und Ribosomen, aufgrund derer Chloroplasten einige der Proteine unabhängig für sich selbst herstellen, daher werden sie als halbautonome Organellen bezeichnet. (Es wird angenommen, dass frühere Plastiden freie Bakterien waren, die von einer großen Zelle aufgenommen, aber nicht verdaut wurden.)

Photosynthese (einfach)

In grünen Blättern im Licht
In Chloroplasten mit Chlorophyll
Aus Kohlendioxid und Wasser
Glukose und Sauerstoff werden synthetisiert.

Photosynthese (mittlerer Schwierigkeitsgrad)

1. Lichtphase.
Kommt im Licht in den Körnern von Chloroplasten vor. Unter Lichteinwirkung kommt es zur Zersetzung (Photolyse) von Wasser, es entsteht Sauerstoff, der emittiert wird, sowie Wasserstoffatome (NADP-H) und ATP-Energie, die im nächsten Schritt verwendet werden.

2. Dunkelphase.
Es tritt sowohl im Licht als auch im Dunkeln (Licht wird nicht benötigt) im Stroma von Chloroplasten auf. Aus Kohlendioxid gewonnen aus Umfeld und Wasserstoffatomen, die in der vorherigen Stufe erhalten wurden, aufgrund der Energie von ATP, die in der vorherigen Stufe erhalten wurde, wird Glucose synthetisiert.

Wählen Sie die am meisten Korrekte Möglichkeit. Zellorganelle, die ein DNA-Molekül enthält
1) Ribosom
2) Chloroplasten
3) Zellzentrum
4) Golgi-Komplex

Antworten

Wählen Sie eine, die richtigste Option. An der Synthese welcher Substanz sind Wasserstoffatome in der Dunkelphase der Photosynthese beteiligt?
1) NADF-2N
2) Glukose
3) ATP
4) Wasser

Antworten

Wählen Sie eine, die richtigste Option. Welche Zellorganelle enthält DNA
1) Vakuole
2) Ribosom
3) Chloroplasten
4) Lysosom

Antworten

Wählen Sie eine, die richtigste Option. In Zellen findet die primäre Synthese von Glukose statt
1) Mitochondrien
2) Endoplasmatisches Retikulum
3) Golgi-Komplex
4) Chloroplasten

Antworten

Wählen Sie eine, die richtigste Option. Sauerstoffmoleküle im Prozess der Photosynthese entstehen durch die Zersetzung von Molekülen
1) Kohlendioxid
2) Glukose
3) ATP
4) Wasser

Antworten

Wählen Sie eine, die richtigste Option. Der Prozess der Photosynthese sollte als eines der wichtigsten Glieder im Kohlenstoffkreislauf in der Biosphäre betrachtet werden, da während dessen
1) Pflanzen nehmen Kohlenstoff auf unbelebte Natur live
2) Pflanzen geben Sauerstoff in die Atmosphäre ab
3) Organismen setzen während der Atmung Kohlendioxid frei
4) industrielle Produktion Füllen Sie die Atmosphäre mit Kohlendioxid auf

Antworten

Wählen Sie eine, die richtigste Option. Sind die folgenden Aussagen zur Photosynthese richtig? A) In der Lichtphase wird die Lichtenergie in die Energie der chemischen Bindungen von Glucose umgewandelt. B) Dunkelphasenreaktionen finden an Thylakoidmembranen statt, in die Kohlendioxidmoleküle eindringen.
1) nur A ist wahr
2) nur B ist wahr
3) Beide Aussagen sind richtig
4) Beide Urteile sind falsch

Antworten

CHLOROPLAST
1. Alle folgenden Zeichen, mit Ausnahme von zwei, können verwendet werden, um die Struktur und Funktionen des Chloroplasten zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Zeichen, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angezeigt werden.
1) ist ein Zweimembran-Organoid
2) hat ein eigenes geschlossenes DNA-Molekül
3) ist ein halbautonomes Organoid
4) bildet eine Teilungsspindel
5) gefüllt mit Zellsaft mit Saccharose

Antworten

2. Wählen Sie drei Merkmale der Struktur und Funktion von Chloroplasten aus
1) innere Membranen bilden Cristae
2) Viele Reaktionen finden in Körnern statt
3) Glukosesynthese findet in ihnen statt
4) sind der Ort der Lipidsynthese
5) bestehen aus zwei verschiedenen Teilchen
6) Zweimembranorganellen

Antworten

3. Wählen Sie drei richtige Antworten aus sechs aus und notieren Sie die Zahlen, unter denen sie angezeigt werden. In den Chloroplasten von Pflanzenzellen laufen folgende Prozesse ab:
1) Hydrolyse von Polysacchariden
2) Abbau von Brenztraubensäure
3) Photolyse von Wasser
4) der Abbau von Fetten zu Fettsäuren und Glycerin
5) Kohlenhydratsynthese
6) ATP-Synthese

Antworten

CHLOROPLASTEN AUSGENOMMEN
1. Die unten aufgeführten Begriffe, mit Ausnahme von zwei, werden verwendet, um Plastiden zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Begriffe, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie in der Tabelle aufgeführt sind.
1) Farbstoff
2) Glykokalyx
3) Oma
4) Krista
5) Thylakoid

Antworten

2. Alle unten aufgeführten Merkmale, mit Ausnahme von zwei, können zur Beschreibung von Chloroplasten verwendet werden. Identifizieren Sie zwei Zeichen, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angezeigt werden.
1) Zweimembranorganellen
2) die Energie des Lichts nutzen, um organische Substanzen zu erzeugen
3) innere Membranen bilden Cristae
4) Auf den Membranen der Cristae wird Glucose synthetisiert
5) Die Ausgangsmaterialien für die Kohlenhydratsynthese sind Kohlendioxid und Wasser

Antworten

STROMA - TYLAKOID
Stellen Sie eine Entsprechung zwischen den Prozessen und ihrer Lokalisation in Chloroplasten her: 1) Stroma, 2) Thylakoid. Notieren Sie die Zahlen 1 und 2 in der Reihenfolge, die den Buchstaben entspricht.
A) die Verwendung von ATP
B) Photolyse von Wasser
B) Anregung von Chlorophyll
D) die Bildung von Pentose
D) Elektronentransfer entlang der Enzymkette

Antworten

1. Die unten aufgeführten Zeichen, mit Ausnahme von zwei, werden verwendet, um die Struktur und Funktionen des abgebildeten Zellorganoids zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Zeichen, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angezeigt werden.

2) akkumuliert ATP-Moleküle
3) bietet Photosynthese

5) hat Halbautonomie

Antworten

2. Alle unten aufgeführten Zeichen, mit Ausnahme von zwei, können verwendet werden, um das in der Abbildung gezeigte Zellorganoid zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Zeichen, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angezeigt werden.
1) Einmembran-Organoid
2) besteht aus Cristae und Chromatin
3) enthält zirkuläre DNA
4) synthetisiert sein eigenes Protein
5) teilungsfähig

Antworten

Die unten aufgeführten Zeichen, mit Ausnahme von zwei, werden verwendet, um die Struktur und Funktionen des abgebildeten Zellorganoids zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Zeichen, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angezeigt werden.
1) spaltet Biopolymere in Monomere
2) akkumuliert ATP-Moleküle
3) bietet Photosynthese
4) bezieht sich auf Zweimembranorganellen
5) hat Halbautonomie

Antworten

LICHT
1. Wählen Sie zwei richtige Antworten aus fünf aus und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angezeigt werden. In der Lichtphase der Photosynthese in der Zelle
1) Sauerstoff entsteht durch die Zersetzung von Wassermolekülen
2) Kohlenhydrate werden aus Kohlendioxid und Wasser synthetisiert
3) Die Polymerisation von Glucosemolekülen erfolgt bei der Bildung von Stärke
4) ATP-Moleküle werden synthetisiert
5) Die Energie von ATP-Molekülen wird für die Synthese von Kohlenhydraten aufgewendet

Antworten

2. Bestimmen Sie drei wahre Aussagen aus der allgemeinen Liste und tragen Sie in die Tabelle die Nummern ein, unter denen sie angegeben sind. Während der Lichtphase der Photosynthese
1) Photolyse von Wasser

4) die Kombination von Wasserstoff mit dem Träger NADP +

Antworten

LICHT AUSSER
1. Alle folgenden Zeichen bis auf zwei können verwendet werden, um die Prozesse der Lichtphase der Photosynthese zu bestimmen. Identifizieren Sie zwei Zeichen, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angezeigt werden.
1) Photolyse von Wasser
2) Reduktion von Kohlendioxid zu Glucose
3) die Synthese von ATP-Molekülen aufgrund der Energie des Sonnenlichts
4) Bildung von molekularem Sauerstoff
5) die Verwendung von Energie von ATP-Molekülen für die Synthese von Kohlenhydraten

Antworten

2. Alle unten aufgeführten Zeichen, bis auf zwei, können verwendet werden, um die Lichtphase der Photosynthese zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Zeichen, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angezeigt werden.
1) Es entsteht ein Nebenprodukt - Sauerstoff
2) tritt im Stroma des Chloroplasten auf
3) Kohlendioxidbindung
4) ATP-Synthese
5) Photolyse von Wasser

Antworten

3. Alle unten aufgeführten Zeichen, mit Ausnahme von zwei, werden verwendet, um das in der Abbildung dargestellte Stadium der Photosynthese zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Zeichen, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angezeigt werden. In diesem Stadium
1) Glukosesynthese findet statt
2) Der Calvin-Zyklus beginnt
3) ATP wird synthetisiert
4) Photolyse von Wasser findet statt
5) Wasserstoff verbindet sich mit NADP

Antworten

DUNKEL
Wählen Sie drei Optionen. Die Dunkelphase der Photosynthese ist gekennzeichnet durch
1) der Ablauf von Prozessen an den inneren Membranen von Chloroplasten
2) Glukosesynthese
3) Kohlendioxidfixierung
4) der Ablauf von Prozessen im Stroma von Chloroplasten
5) das Vorhandensein von Wasserphotolyse
6) die Bildung von ATP

Antworten

DUNKEL AUSSER
1. Die unten aufgeführten Konzepte, bis auf zwei, werden verwendet, um die Dunkelphase der Photosynthese zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Begriffe, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angegeben sind.

2) Photolyse
3) Oxidation von NADP 2H
4) grana
5) Stroma

Antworten

2. Alle unten aufgeführten Zeichen, bis auf zwei, werden verwendet, um die Dunkelphase der Photosynthese zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Zeichen, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angezeigt werden.
1) Sauerstoffbildung
2) Kohlendioxidfixierung
3) Nutzung von ATP-Energie
4) Glukosesynthese
5) Anregung von Chlorophyll

Antworten

HELL DUNKEL
1. Stellen Sie eine Entsprechung zwischen dem Prozess der Photosynthese und der Phase her, in der sie stattfindet: 1) hell, 2) dunkel. Schreibe die Zahlen 1 und 2 in der richtigen Reihenfolge auf.
A) die Bildung von NADP-2H-Molekülen
B) Freisetzung von Sauerstoff
C) Synthese eines Monosaccharids
D) Synthese von ATP-Molekülen
D) die Zugabe von Kohlendioxid zu einem Kohlenhydrat

Antworten

2. Stellen Sie eine Entsprechung zwischen dem Merkmal und der Phase der Photosynthese her: 1) hell, 2) dunkel. Schreibe die Zahlen 1 und 2 in der richtigen Reihenfolge auf.
A) Photolyse von Wasser
B) Kohlendioxidfixierung
C) Spaltung von ATP-Molekülen
D) Anregung von Chlorophyll durch Lichtquanten
D) Glukosesynthese

Antworten

3. Stellen Sie eine Entsprechung zwischen dem Prozess der Photosynthese und der Phase her, in der sie stattfindet: 1) hell, 2) dunkel. Schreiben Sie die Zahlen 1 und 2 in der richtigen Reihenfolge.
A) die Bildung von NADP * 2H-Molekülen
B) Freisetzung von Sauerstoff
B) Glukosesynthese
D) Synthese von ATP-Molekülen
D) Kohlendioxidrückgewinnung

Antworten

4. Stellen Sie eine Entsprechung zwischen den Prozessen und der Phase der Photosynthese her: 1) hell, 2) dunkel. Notieren Sie die Zahlen 1 und 2 in der Reihenfolge, die den Buchstaben entspricht.
A) Polymerisation von Glucose
B) Kohlendioxidbindung
B) ATP-Synthese
D) Photolyse von Wasser
E) die Bildung von Wasserstoffatomen
E) Glukosesynthese

Antworten

5. Stellen Sie eine Entsprechung zwischen den Phasen der Photosynthese und ihren Eigenschaften her: 1) hell, 2) dunkel. Notieren Sie die Zahlen 1 und 2 in der Reihenfolge, die den Buchstaben entspricht.
A) Es wird eine Photolyse von Wasser durchgeführt
B) ATP wird gebildet
B) Sauerstoff wird in die Atmosphäre freigesetzt
D) verfährt mit dem Verbrauch von ATP-Energie
D) Reaktionen können sowohl im Licht als auch im Dunkeln stattfinden.

Antworten

6 Sa. Stellen Sie eine Entsprechung zwischen den Phasen der Photosynthese und ihren Eigenschaften her: 1) hell, 2) dunkel. Notieren Sie die Zahlen 1 und 2 in der Reihenfolge, die den Buchstaben entspricht.
A) Wiederherstellung von NADP +
B) Transport von Wasserstoffionen durch die Membran
B) findet in den Körnern von Chloroplasten statt
D) Kohlenhydratmoleküle werden synthetisiert
D) Chlorophyllelektronen bewegen sich auf ein höheres Energieniveau
E) ATP-Energie wird verbraucht

Antworten

FORMEN 7:
A) Bewegung angeregter Elektronen
B) Umwandlung von NADP-2R zu NADP+
C) Oxidation von NADP H
D) molekularer Sauerstoff entsteht
D) Prozesse finden im Stroma des Chloroplasten statt

FOLGE
1. Stellen Sie die richtige Reihenfolge der Prozesse ein, die während der Photosynthese ablaufen. Notieren Sie die Nummern, unter denen sie in der Tabelle angegeben sind.
1) Verwendung von Kohlendioxid
2) Sauerstoffbildung
3) Synthese von Kohlenhydraten
4) Synthese von ATP-Molekülen
5) Anregung von Chlorophyll

Antworten

2. Stellen Sie die richtige Reihenfolge der Photosyntheseprozesse ein.
1) Umwandlung von Sonnenenergie in ATP-Energie
2) die Bildung angeregter Chlorophyllelektronen
3) Kohlendioxidfixierung
4) Stärkebildung
5) Umwandlung von ATP-Energie in Glukoseenergie

Antworten

3. Stellen Sie die Reihenfolge der Prozesse ein, die während der Photosynthese ablaufen. Notieren Sie die entsprechende Zahlenfolge.
1) Kohlendioxidfixierung
2) ATP-Abbau und Energiefreisetzung
3) Glukosesynthese
4) Synthese von ATP-Molekülen
5) Anregung von Chlorophyll

Antworten

PHOTOSYNTHESE
Wählen Sie die am Prozess der Photosynthese beteiligten Zellorganellen und ihre Strukturen aus.
1) Lysosomen
2) Chloroplasten
3) Thylakoide
4) Körner
5) Vakuolen
6) Ribosomen

Antworten

PHOTOSYNTHESE AUSSER
Alle der folgenden Merkmale, bis auf zwei, können verwendet werden, um den Prozess der Photosynthese zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Merkmale, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie als Antwort die Nummern, unter denen sie angegeben sind.
1) Zur Durchführung des Prozesses wird Lichtenergie verwendet.
2) Der Prozess findet in Gegenwart von Enzymen statt.
3) Die zentrale Rolle in diesem Prozess gehört dem Chlorophyllmolekül.
4) Der Prozess wird vom Abbau des Glukosemoleküls begleitet.
5) Der Vorgang kann in prokaryotischen Zellen nicht ablaufen.

Antworten

Analysieren Sie die Tabelle. Füllen Sie die leeren Zellen der Tabelle mit den Konzepten und Begriffen aus der Liste aus. Wählen Sie für jede mit Buchstaben versehene Zelle den entsprechenden Begriff aus der bereitgestellten Liste aus.
1) Thylakoidmembranen
2) Lichtphase
3) Fixierung von anorganischem Kohlenstoff
4) Wasserphotosynthese
5) Dunkelphase
6) Zytoplasma der Zelle

Antworten

Analysieren Sie die Tabelle "Reaktionen der Photosynthese". Wählen Sie für jeden Buchstaben den passenden Begriff aus der bereitgestellten Liste aus.
1) oxidative Phosphorylierung
2) Oxidation von NADP-2H
3) Thylakoidmembranen
4) Glykolyse
5) Zugabe von Kohlendioxid zu Pentose
6) Sauerstoffbildung
7) die Bildung von Ribulosediphosphat und Glucose
8) Synthese von 38 ATP

Antworten

Fügen Sie im Text „Synthese organischer Substanzen in einer Pflanze“ die fehlenden Begriffe aus der vorgeschlagenen Liste ein und verwenden Sie dafür digitale Symbole. Notieren Sie die gewählten Zahlen in der Reihenfolge, die den Buchstaben entspricht. Pflanzen speichern die Energie, die sie zum Überleben benötigen, in Form von organischer Substanz. Diese Substanzen werden während __________ (A) synthetisiert. Dieser Prozess findet in Blattzellen in __________ (B) - speziellen Plastiden statt Grüne Farbe. Sie enthalten eine spezielle grüne Substanz - __________ (B). Voraussetzung für die Bildung organischer Stoffe neben Wasser und Kohlendioxid ist __________ (D).
Begriffsliste:
1) Atmung
2) Verdunstung
3) Leukoplast
4) Essen
5) Licht
6) Photosynthese
7) Chloroplasten
8) Chlorophyll

Antworten

Stellen Sie eine Entsprechung zwischen den Phasen des Prozesses und den Prozessen her: 1) Photosynthese, 2) Proteinbiosynthese. Schreibe die Zahlen 1 und 2 in der richtigen Reihenfolge auf.
A) Freisetzung von freiem Sauerstoff
B) die Bildung von Peptidbindungen zwischen Aminosäuren
C) mRNA-Synthese auf DNA
D) Übersetzungsprozess
D) Wiederherstellung von Kohlenhydraten
E) Umwandlung von NADP + zu NADP 2H

Antworten

Die Photosynthese ist eine Reihe von Prozessen zur Umwandlung von Lichtenergie in die Energie chemischer Bindungen organischer Substanzen unter Beteiligung photosynthetischer Farbstoffe.

Diese Art der Ernährung ist typisch für Pflanzen, Prokaryoten und einige Arten einzelliger Eukaryoten.

Bei der natürlichen Synthese werden Kohlenstoff und Wasser im Zusammenspiel mit Licht in Glukose und freien Sauerstoff umgewandelt:

6CO2 + 6H2O + Lichtenergie → C6H12O6 + 6O2

Die moderne Pflanzenphysiologie versteht unter dem Begriff der Photosynthese die photoautotrophe Funktion, die eine Reihe von Prozessen der Absorption, Umwandlung und Verwendung von Lichtenergiequanten in verschiedenen nicht spontanen Reaktionen ist, einschließlich der Umwandlung von Kohlendioxid in organische Materie.

Phasen

Photosynthese in Pflanzen kommt in Blättern über Chloroplasten vor- halbautonome Zweimembran-Organellen, die zur Klasse der Plastiden gehören. Mit einer flachen Form der Blechplatten ist eine hochwertige Absorption und volle Nutzung von Lichtenergie und Kohlendioxid gewährleistet. Das benötigte Wasser für natürliche Synthese, kommt von den Wurzeln durch das wasserführende Gewebe. Der Gasaustausch erfolgt durch Diffusion durch die Stomata und teilweise durch die Kutikula.

Chloroplasten sind mit einem farblosen Stroma gefüllt und von Lamellen durchdrungen, die, wenn sie miteinander kombiniert werden, Thylakoide bilden. Hier findet die Photosynthese statt. Cyanobakterien selbst sind Chloroplasten, daher ist der Apparat für die natürliche Synthese in ihnen nicht in einer separaten Organelle isoliert.

Die Photosynthese läuft unter Beteiligung von Pigmenten das sind normalerweise Chlorophylle. Einige Organismen enthalten ein anderes Pigment - ein Carotinoid oder Phycobilin. Prokaryoten besitzen das Pigment Bakteriochlorophyll, und diese Organismen setzen nach Abschluss der natürlichen Synthese keinen Sauerstoff frei.

Die Photosynthese durchläuft zwei Phasen – hell und dunkel. Jeder von ihnen ist durch bestimmte Reaktionen und interagierende Substanzen gekennzeichnet. Betrachten wir den Prozess der Phasen der Photosynthese genauer.

Leuchtend

Erste Phase der Photosynthese gekennzeichnet durch die Bildung von energiereichen Produkten, nämlich ATP, eine zelluläre Energiequelle, und NADP, ein Reduktionsmittel. Am Ende der Stufe entsteht als Nebenprodukt Sauerstoff. Das Lichtstadium tritt zwangsläufig bei Sonnenlicht auf.

Der Prozess der Photosynthese findet in Thylakoidmembranen unter Beteiligung von Elektronenträgerproteinen, ATP-Synthetase und Chlorophyll (oder einem anderen Pigment) statt.

Die Funktionsweise elektrochemischer Schaltkreise, durch die Elektronen und teilweise Wasserstoffprotonen übertragen werden, wird in komplexen Komplexen gebildet, die aus Pigmenten und Enzymen bestehen.

Beschreibung des Lichtphasenprozesses:

Wenn Sonnenlicht auf die Blattplatten pflanzlicher Organismen trifft, werden Chlorophyllelektronen in der Struktur der Platten angeregt;
Im aktiven Zustand verlassen die Partikel das Pigmentmolekül und treten in die negativ geladene Außenseite des Thylakoids ein. Dies geschieht gleichzeitig mit der Oxidation und anschließenden Reduktion von Chlorophyllmolekülen, die dem in die Blätter eingedrungenen Wasser die nächsten Elektronen entnehmen;
Dann erfolgt die Photolyse von Wasser unter Bildung von Ionen, die Elektronen abgeben und in OH-Radikale umgewandelt werden, die in Zukunft an Reaktionen teilnehmen können;
Diese Radikale verbinden sich dann zu Wassermolekülen und freiem Sauerstoff, der in die Atmosphäre entweicht;
Die Thylakoidmembran erhält einerseits eine positive Ladung durch das Wasserstoffion und andererseits eine negative Ladung durch Elektronen;
Bei einer Differenz von 200 mV zwischen den Membranseiten passieren Protonen das Enzym ATP-Synthetase, was zur Umwandlung von ADP in ATP führt (Phosphorylierungsprozess);
Mit aus Wasser freigesetztem atomarem Wasserstoff wird NADP + zu NADP H2 reduziert;

Während bei den Reaktionen freier Sauerstoff in die Atmosphäre freigesetzt wird, nehmen ATP und NADP H2 an der Dunkelphase der natürlichen Synthese teil.

Dunkel

Eine obligatorische Komponente für diese Stufe ist Kohlendioxid., die Pflanzen ständig aus der äußeren Umgebung durch die Stomata in den Blättern aufnehmen. Die Prozesse der Dunkelphase finden im Stroma des Chloroplasten statt. Da in diesem Stadium nicht viel Sonnenenergie benötigt wird und während der Lichtphase genügend ATP und NADP H2 gewonnen wird, können Reaktionen in Organismen Tag und Nacht ablaufen. Prozesse in dieser Phase sind schneller als in der vorherigen.

Die Gesamtheit aller in der Dunkelphase ablaufenden Prozesse stellt sich als eine Art Kette aufeinanderfolgender Umwandlungen von Kohlendioxid aus der äußeren Umgebung dar:

Die erste Reaktion in einer solchen Kette ist die Fixierung von Kohlendioxid. Das Vorhandensein des Enzyms RiBP-Carboxylase trägt zum schnellen und reibungslosen Ablauf der Reaktion bei, was zur Bildung einer Verbindung mit sechs Kohlenstoffatomen führt, die sich in 2 Moleküle Phosphoglycerinsäure zersetzt;
Dann tritt ein ziemlich komplexer Zyklus auf, der eine bestimmte Anzahl von Reaktionen umfasst, nach denen Phosphoglycerinsäure in natürlichen Zucker - Glukose - umgewandelt wird. Dieser Vorgang wird Calvin-Zyklus genannt;

Zusammen mit Zucker erfolgt auch die Bildung von Fettsäuren, Aminosäuren, Glycerin und Nukleotiden.

Die Essenz der Photosynthese

Aus der Vergleichstabelle der hellen und dunklen Phasen der natürlichen Synthese kann man kurz die Essenz jeder von ihnen beschreiben. Die Lichtphase tritt in den Körnern des Chloroplasten unter obligatorischer Einbeziehung von Lichtenergie in die Reaktionen auf. An den Reaktionen sind Komponenten wie elektronentragende Proteine, ATP-Synthetase und Chlorophyll beteiligt, die bei Wechselwirkung mit Wasser freien Sauerstoff, ATP und NADP H2 bilden. Für die im Stroma des Chloroplasten auftretende Dunkelphase ist Sonnenlicht nicht unbedingt erforderlich. Das in der letzten Stufe gewonnene ATP und NADP H2 bilden bei Wechselwirkung mit Kohlendioxid natürlichen Zucker (Glucose).

Wie aus dem Obigen ersichtlich ist, scheint die Photosynthese ein ziemlich komplexes und mehrstufiges Phänomen zu sein, einschließlich vieler Reaktionen, an denen verschiedene Substanzen beteiligt sind. Durch die natürliche Synthese wird Sauerstoff gewonnen, der für die Atmung lebender Organismen und deren Schutz vor ultravioletter Strahlung durch die Bildung der Ozonschicht notwendig ist.

- Synthese organischer Substanzen aus Kohlendioxid und Wasser unter obligatorischer Verwendung von Lichtenergie:

6CO 2 + 6H 2 O + Q Licht → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

Bei höheren Pflanzen ist das Blatt das Organ der Photosynthese, die Organellen der Photosynthese sind Chloroplasten (die Struktur der Chloroplasten ist Vorlesung Nr. 7). Die Thylakoidmembranen von Chloroplasten enthalten photosynthetische Pigmente: Chlorophylle und Carotinoide. Es gibt einige verschiedene Typen Chlorophyll ( A B C D), das wichtigste ist Chlorophyll A. Im Chlorophyllmolekül kann man einen Porphyrin-„Kopf“ mit einem Magnesiumatom in der Mitte und einen Phytol-„Schwanz“ unterscheiden. Der Porphyrin-"Kopf" ist eine flache Struktur, ist hydrophil und liegt daher auf der Oberfläche der Membran, die der aquatischen Umgebung des Stromas zugewandt ist. Der Phytol-„Schwanz“ ist hydrophob und hält so das Chlorophyllmolekül in der Membran.

Chlorophyll absorbiert rotes und blau-violettes Licht, reflektiert grünes und verleiht Pflanzen dadurch ihre charakteristische grüne Farbe. Chlorophyllmoleküle in Thylakoidmembranen sind organisiert in Photosysteme. Pflanzen und Blaualgen haben Photosystem-1 und Photosystem-2, photosynthetische Bakterien haben Photosystem-1. Nur Photosystem-2 kann Wasser unter Freisetzung von Sauerstoff zersetzen und Elektronen aus dem Wasserstoff des Wassers aufnehmen.

Die Photosynthese ist ein komplexer mehrstufiger Prozess; Photosynthesereaktionen werden in zwei Gruppen eingeteilt: Reaktionen Lichtphase und Reaktionen dunkle Phase.

Lichtphase

Diese Phase tritt nur in Gegenwart von Licht in Thylakoidmembranen unter Beteiligung von Chlorophyll, Elektronenträgerproteinen und dem Enzym ATP-Synthetase auf. Unter Einwirkung eines Lichtquants werden Chlorophyllelektronen angeregt, verlassen das Molekül und treten in die Außenseite der Thylakoidmembran ein, die schließlich negativ geladen wird. Oxidierte Chlorophyllmoleküle werden wiederhergestellt, indem Elektronen aus dem Wasser entnommen werden, das sich im intrathylakoiden Raum befindet. Dies führt zur Zersetzung oder Photolyse von Wasser:

H 2 O + Q Licht → H + + OH -.

Hydroxylionen geben ihre Elektronen ab und verwandeln sich in reaktive Radikale. OH:

OH - → .OH + e - .

Radikale.OH verbinden sich zu Wasser und freiem Sauerstoff:

4NO. → 2H 2 O + O 2.

In diesem Fall wird Sauerstoff an die äußere Umgebung abgegeben und Protonen sammeln sich im Inneren des Thylakoids im "Protonenreservoir". Dadurch wird die Thylakoidmembran einerseits durch H+ positiv, andererseits durch Elektronen negativ aufgeladen. Wenn die Potentialdifferenz zwischen der Außen- und Innenseite der Thylakoidmembran 200 mV erreicht, werden Protonen durch die Kanäle der ATP-Synthetase geschoben und ADP wird zu ATP phosphoryliert; Atomarer Wasserstoff wird verwendet, um den spezifischen Träger NADP + (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat) zu NADP H 2 wiederherzustellen:

2H + + 2e - + NADP → NADP H 2.

Somit findet in der leichten Phase eine Photolyse von Wasser statt, die von drei Hauptprozessen begleitet wird: 1) ATP-Synthese; 2) die Bildung von NADP·H 2; 3) die Bildung von Sauerstoff. Sauerstoff diffundiert in die Atmosphäre, ATP und NADP·H 2 werden zum Stroma des Chloroplasten transportiert und nehmen an den Prozessen der Dunkelphase teil.

1 - Stroma des Chloroplasten; 2 - Grana-Thylakoid.

dunkle Phase

Diese Phase findet im Stroma des Chloroplasten statt. Seine Reaktionen benötigen keine Lichtenergie, daher finden sie nicht nur im Licht, sondern auch im Dunkeln statt. Die Reaktionen der Dunkelphase sind eine Kette aufeinanderfolgender Umwandlungen von Kohlendioxid (kommt aus der Luft), die zur Bildung von Glukose und anderen organischen Substanzen führen.

Die erste Reaktion in dieser Kette ist die Kohlendioxidfixierung; Kohlendioxidakzeptor ist ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen Ribulosebisphosphat(RiBF); Enzym katalysiert die Reaktion Ribulosebisphosphatcarboxylase(RiBP-Carboxylase). Als Ergebnis der Carboxylierung von Ribulosebisphosphat wird eine instabile Verbindung mit sechs Kohlenstoffatomen gebildet, die sich sofort in zwei Moleküle zersetzt Phosphoglycerinsäure(FGK). Dann gibt es einen Reaktionszyklus, in dem Phosphoglycerinsäure über eine Reihe von Zwischenprodukten in Glucose umgewandelt wird. Diese Reaktionen nutzen die Energien von ATP und NADP·H 2 , die in der leichten Phase gebildet werden; Der Zyklus dieser Reaktionen wird als Calvin-Zyklus bezeichnet:

6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.

Neben Glukose werden während der Photosynthese andere Monomere komplexer organischer Verbindungen gebildet - Aminosäuren, Glycerin und Fettsäuren, Nukleotide. Derzeit gibt es zwei Arten der Photosynthese: C 3 - und C 4 -Photosynthese.

C 3 -Photosynthese

Dies ist eine Art der Photosynthese, bei der Verbindungen mit drei Kohlenstoffatomen (C3) das erste Produkt sind. Die C 3 -Photosynthese wurde vor der C 4 -Photosynthese entdeckt (M. Calvin). Es ist die C 3 -Photosynthese, die oben unter der Überschrift "Dunkelphase" beschrieben wird. Eigenschaften C 3 -Photosynthese: 1) RiBP ist ein Akzeptor von Kohlendioxid, 2) RiBP-Carboxylase katalysiert die RiBP-Carboxylierungsreaktion, 3) als Ergebnis der RiBP-Carboxylierung wird eine Verbindung mit sechs Kohlenstoffatomen gebildet, die sich in zwei FHAs zersetzt. FHA wird wiederhergestellt Triose-Phosphate(TF). Ein Teil von TF wird zur Regeneration von RiBP verwendet, ein Teil wird in Glukose umgewandelt.

1 - Chloroplasten; 2 - Peroxisom; 3 - Mitochondrium.

Dies ist die lichtabhängige Aufnahme von Sauerstoff und die Abgabe von Kohlendioxid. Bereits Anfang des letzten Jahrhunderts wurde festgestellt, dass Sauerstoff die Photosynthese hemmt. Wie sich herausstellte, kann nicht nur Kohlendioxid, sondern auch Sauerstoff ein Substrat für die RiBP-Carboxylase sein:

O 2 + RiBP → Phosphoglykolat (2С) + FHA (3С).

Das Enzym heißt RiBP-Oxygenase. Sauerstoff ist ein kompetitiver Inhibitor der Kohlendioxidfixierung. Die Phosphatgruppe wird abgespalten und das Phosphoglykolat wird zu Glykolat, das die Pflanze verwerten muss. Es gelangt in die Peroxisomen, wo es zu Glycin oxidiert wird. Glycin gelangt in die Mitochondrien, wo es unter Verlust von bereits fixiertem Kohlenstoff in Form von CO 2 zu Serin oxidiert wird. Dadurch werden zwei Moleküle Glykolat (2C + 2C) in ein FHA (3C) und CO 2 umgewandelt. Die Photorespiration führt zu einer Verringerung des Ertrags von C 3 -Pflanzen um 30-40 % ( C 3 -Pflanzen- Pflanzen, die durch C 3 -Photosynthese gekennzeichnet sind).

C 4 -Photosynthese - Photosynthese, bei der das erste Produkt Verbindungen mit vier Kohlenstoffatomen (C 4) sind. 1965 wurde festgestellt, dass in einigen Pflanzen (Zuckerrohr, Mais, Sorghum, Hirse) die ersten Produkte der Photosynthese vier Kohlenstoffsäuren sind. Solche Pflanzen werden genannt Mit 4 Pflanzen. 1966 zeigten die australischen Wissenschaftler Hatch und Slack, dass C 4 -Pflanzen praktisch keine Photorespiration haben und Kohlendioxid viel effizienter aufnehmen. Der Pfad der Kohlenstoffumwandlungen in C 4 -Pflanzen begann sich aufzuzeichnen von Hatch-Slack.

C 4 -Pflanzen zeichnen sich durch eine besondere anatomische Struktur des Blattes aus. Alle leitenden Bündel sind von einer doppelten Zellschicht umgeben: die äußere sind Mesophyllzellen, die innere sind Auskleidungszellen. Kohlendioxid ist im Zytoplasma von Mesophyllzellen fixiert, der Akzeptor ist Phosphoenolpyruvat(PEP, 3C), als Ergebnis der PEP-Carboxylierung wird Oxalacetat (4C) gebildet. Der Prozess wird katalysiert PEP-Carboxylase. Im Gegensatz zur RiBP-Carboxylase hat die PEP-Carboxylase eine hohe Affinität zu CO 2 und interagiert vor allem nicht mit O 2 . In Mesophyll-Chloroplasten gibt es viele Granae, in denen Reaktionen der leichten Phase aktiv stattfinden. In den Chloroplasten der Scheidenzellen finden Reaktionen der Dunkelphase statt.

Oxalacetat (4C) wird in Malat umgewandelt, das durch Plasmodesmen zu den Auskleidungszellen transportiert wird. Hier wird es decarboxyliert und entwässert, um Pyruvat, CO 2 und NADP·H 2 zu bilden.

Pyruvat kehrt in die Mesophyllzellen zurück und regeneriert sich auf Kosten der ATP-Energie in PEP. CO 2 wird wiederum durch die RiBP-Carboxylase unter Bildung von FHA fixiert. Die Regeneration von PEP benötigt die Energie von ATP, also fast doppelt so viel Energie wie bei der C 3 -Photosynthese.

Die Bedeutung der Photosynthese

Dank der Photosynthese werden jedes Jahr Milliarden Tonnen Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufgenommen, Milliarden Tonnen Sauerstoff werden freigesetzt; Photosynthese ist die Hauptquelle für die Bildung organischer Substanzen. Die Ozonschicht wird aus Sauerstoff gebildet, der lebende Organismen vor kurzwelliger UV-Strahlung schützt.

Bei der Photosynthese verbraucht ein grünes Blatt nur etwa 1 % der darauf einfallenden Sonnenenergie, die Produktivität liegt bei etwa 1 g organischer Substanz pro 1 m 2 Oberfläche pro Stunde.

Chemosynthese

Die Synthese organischer Verbindungen aus Kohlendioxid und Wasser, die nicht auf Kosten der Lichtenergie, sondern auf Kosten der Oxidationsenergie anorganischer Substanzen durchgeführt wird, wird genannt Chemosynthese. Chemosynthetische Organismen umfassen einige Arten von Bakterien.

Nitrifizierende Bakterien oxidieren Ammoniak zu Salpetersäure und dann zu Salpetersäure (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Eisenbakterien wandeln Eisen in Oxid um (Fe 2+ → Fe 3+).

Schwefelbakterien Schwefelwasserstoff zu Schwefel oder Schwefelsäure oxidieren (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

Durch die Oxidationsreaktionen anorganischer Substanzen wird Energie freigesetzt, die von Bakterien in Form hochenergetischer Bindungen von ATP gespeichert wird. ATP dient der Synthese organischer Substanzen, die ähnlich den Reaktionen der Dunkelphase der Photosynthese abläuft.

Chemosynthetische Bakterien tragen zur Anreicherung von Mineralien im Boden bei, verbessern die Bodenfruchtbarkeit, fördern die Abwasserbehandlung usw.

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Dementsprechend werden chlorophyll- und chlorophyllfreie Photosynthese unterschieden.

Chlorophyllfreie Photosynthese

Das System der chlorophyllfreien Photosynthese zeichnet sich durch seine beachtliche Einfachheit der Organisation aus und wird daher als der evolutionär primäre Mechanismus zur Speicherung der Energie elektromagnetischer Strahlung angesehen. Die Effizienz der chlorophyllfreien Photosynthese als Energieumwandlungsmechanismus ist relativ gering (pro absorbiertem Quant wird nur ein H + übertragen).

Entdeckung in halophilen Archaeen

Dieter Oesterhelt und Walther Stoeckenius identifizierten einen Vertreter der halophilen Archaeen in "Purple Membranes" Halobacterium salinarium(früherer Name N. halobium) ein Protein, das später Bacteriorhodopsin genannt wurde. Bald häuften sich Fakten, die darauf hinwiesen, dass Bakteriorhodopsin ein lichtabhängiger Erzeuger des Protonengradienten ist. Insbesondere wurde Photophosphorylierung an künstlichen Vesikeln, die Bakteriorhodopsin und mitochondriale ATP-Synthase enthielten, Photophosphorylierung in intakten Zellen demonstriert H. Salinarium, ein lichtinduzierter pH-Abfall des Mediums und eine Unterdrückung der Atmung, die alle mit dem Absorptionsspektrum von Bakteriorhodopsin korrelierten. Damit wurde der unwiderlegbare Beweis für die Existenz einer chlorophyllfreien Photosynthese erbracht.

Mechanismus

Der photosynthetische Apparat extremer Halobakterien ist der primitivste der derzeit bekannten; es fehlt eine Elektronentransportkette. zytoplasmatische Membran Halobakterien ist eine konjugierende Membran, die zwei Hauptkomponenten enthält: eine lichtabhängige Protonenpumpe (Bakterihodopsin) und ATP-Synthase. Der Betrieb eines solchen Photosyntheseapparates basiert auf folgenden Energieumwandlungen:

Das Bakteriorhodopsin-Chromophor Retinal absorbiert Lichtquanten, was zu Konformationsänderungen in der Bakteriorhodopsin-Struktur und zum Protonentransport aus dem Zytoplasma in den periplasmatischen Raum führt. Zusätzlich leistet der aktive lichtabhängige Import des Chlorid-Anions, das durch Halorhodopsin bereitgestellt wird, einen zusätzlichen Beitrag zur elektrischen Komponente des Gradienten [ ] . Als Ergebnis der Arbeit von Bacteriorhodopsin wird die Energie der Sonnenstrahlung in die Energie des elektrochemischen Protonengradienten auf der Membran umgewandelt.
Während der Arbeit der ATP-Synthase wird die Energie des Transmembrangradienten in die Energie der chemischen Bindungen von ATP umgewandelt. Somit wird eine chemiosmotische Konjugation durchgeführt.

Bei der chlorophyllfreien Art der Photosynthese (wie bei der Umsetzung von Kreisläufen in Elektronentransportketten) kommt es nicht zur Bildung von Reduktionsäquivalenten (reduziertes Ferredoxin oder NAD(P)H), die für die Aufnahme von Kohlendioxid notwendig sind. Daher findet bei der chlorophyllfreien Photosynthese keine Kohlendioxid-Assimilation statt, sondern Sonnenenergie wird ausschließlich in Form von ATP (Photophosphorylierung) gespeichert.

Bedeutung

Der Hauptweg zur Energiegewinnung für Halobakterien ist die aerobe Oxidation organischer Verbindungen (Kohlenhydrate und Aminosäuren werden in der Kultivierung verwendet). Bei Sauerstoffmangel kann neben der chlorophyllfreien Photosynthese auch die anaerobe Nitrat Atmung oder die Fermentation von Arginin und Citrullin als Energiequelle für Halobakterien dienen. Allerdings konnte im Experiment gezeigt werden, dass die chlorophyllfreie Photosynthese auch unter anaeroben Bedingungen als einzige Energiequelle dienen kann, wenn anaerobe Atmung und Gärung unterdrückt werden. obligatorische Bedingung dass Retinal in das Medium eingebracht wird, für dessen Synthese Sauerstoff benötigt wird.

Chlorophyll-Photosynthese

Die Photosynthese von Chlorophyll unterscheidet sich von Bacteriorhodopsin durch eine viel größere Effizienz der Energiespeicherung. Für jedes absorbierte Strahlungsquantum wird mindestens ein H + gegen den Gradienten übertragen und teilweise Energie in Form von reduzierten Verbindungen (Ferredoxin, NADP) gespeichert.

Anoxygen

Die anoxygene (oder anoxische) Photosynthese läuft ohne Freisetzung von Sauerstoff ab. Lila und grüne Bakterien sowie Heliobakterien sind zur anoxygenen Photosynthese fähig.

Mit der anoxygenen Photosynthese ist es möglich:

Lichtabhängiger zyklischer Elektronentransport, der nicht mit der Bildung von Reduktionsäquivalenten einhergeht und ausschließlich zur Speicherung von Lichtenergie in Form von ATP führt. Beim zyklischen lichtabhängigen Elektronentransport sind keine exogenen Elektronendonatoren erforderlich. Der Bedarf an Reduktionsäquivalenten wird in der Regel auf nicht-photochemischem Weg durch körperfremde organische Verbindungen gedeckt.
Lichtabhängiger nichtzyklischer Elektronentransport, begleitet sowohl von der Bildung von Reduktionsäquivalenten als auch von der Synthese von ADP. In diesem Fall werden exogene Elektronendonatoren benötigt, die notwendig sind, um die Elektronenleerstelle im Reaktionszentrum zu füllen. Als exogene Elektronendonatoren können sowohl organische als auch anorganische Reduktionsmittel verwendet werden. Unter den anorganischen Verbindungen werden am häufigsten verschiedene reduzierte Formen von Schwefel verwendet (Schwefelwasserstoff, molekularer Schwefel, Sulfite, Thiosulfate, Tetrathionate, Thioglykolate), es ist auch möglich, molekularen Wasserstoff zu verwenden.

sauerstoffhaltig

Die sauerstoffhaltige (oder Sauerstoff-) Photosynthese wird von der Freisetzung von Sauerstoff als Nebenprodukt begleitet. Bei der oxygenen Photosynthese findet ein nichtzyklischer Elektronentransport statt, obwohl unter bestimmten physiologischen Bedingungen nur ein zyklischer Elektronentransport stattfindet. Ein extrem schwacher Elektronendonator, Wasser, wird als Elektronendonator in einem nicht zyklischen Fluss verwendet.

Viel weiter verbreitet ist die sauerstoffhaltige Photosynthese. Charakteristisch für höhere Pflanzen, Algen, viele Protisten und Cyanobakterien.

Stufen

Die Photosynthese ist ein Prozess mit einer äußerst komplexen räumlich-zeitlichen Organisation.

Die Streuung der charakteristischen Zeiten verschiedener Stadien der Photosynthese beträgt 19 Größenordnungen: Die Absorptionsrate von Lichtquanten und Energiemigration wird im Femtosekundenintervall (10–15 s) gemessen, die Elektronentransportrate hat charakteristische Zeiten von 10– 10–10–2 s, und die mit den Wachstumspflanzen verbundenen Prozesse werden in Tagen (10 5 –10 7 s) gemessen.

Auch eine große Größenstreuung ist charakteristisch für die Strukturen, die den Fluss der Photosynthese sicherstellen: von der molekularen Ebene (10 −27 m 3) bis zur Ebene der Phytozenosen (10 5 m 3).

Bei der Photosynthese können verschiedene Stadien unterschieden werden, die sich in Art und charakteristischen Geschwindigkeiten von Prozessen unterscheiden:

Photophysikalisch;
Photochemisch;
Chemisch:
- Elektronentransportreaktionen;
- "Dunkel"-Reaktionen oder Kohlenstoffkreisläufe während der Photosynthese.

In der ersten Stufe erfolgt die Absorption von Lichtquanten durch Pigmente, deren Übergang in einen angeregten Zustand und die Übertragung von Energie auf andere Moleküle des Photosystems. Auf der zweiten Stufe erfolgt eine Ladungstrennung im Reaktionszentrum, die Übertragung von Elektronen entlang der photosynthetischen Elektronentransportkette, die mit der Synthese von ATP und NADPH endet. Die ersten beiden Stufen werden gemeinsam als die lichtabhängige Stufe der Photosynthese bezeichnet. Die dritte Stufe findet ohne statt Pflichtteilnahme Licht und umfasst biochemische Reaktionen zur Synthese organischer Substanzen unter Nutzung der auf der lichtabhängigen Stufe angesammelten Energie. Am häufigsten werden als solche Reaktionen der Calvin-Zyklus und die Glukoneogenese, die Bildung von Zucker und Stärke aus Kohlendioxid in der Luft, betrachtet.

Räumliche Lokalisierung

Blatt

Die pflanzliche Photosynthese wird in Chloroplasten durchgeführt - halbautonomen Zweimembranorganellen, die zur Klasse der Plastiden gehören. Chloroplasten können in Zellen von Stängeln, Früchten und Kelchblättern gefunden werden, aber das Hauptorgan der Photosynthese ist das Blatt. Es ist anatomisch angepasst, um Lichtenergie zu absorbieren und Kohlendioxid zu assimilieren. Die flache Form der Platte, die ein großes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis bietet, ermöglicht eine vollständigere Nutzung der Energie des Sonnenlichts. Wasser, das für die Aufrechterhaltung von Turgor und Photosynthese notwendig ist, wird den Blättern aus dem Wurzelsystem durch Xylem, eines der leitenden Gewebe der Pflanze, zugeführt. Dazu dient der Wasserverlust durch Verdunstung über die Stomata und in geringerem Maße über die Kutikula (Transpiration). treibende Kraft Transport durch Schiffe. Eine übermäßige Transpiration ist jedoch unerwünscht, und Pflanzen haben verschiedene Anpassungen entwickelt, um den Wasserverlust zu reduzieren. Der Abfluss von Assimilaten, die für das Funktionieren des Calvin-Zyklus notwendig sind, erfolgt entlang des Phloems. Bei intensiver Photosynthese können Kohlenhydrate polymerisieren und gleichzeitig werden Stärkekörner in Chloroplasten gebildet. Der Gasaustausch (Aufnahme von Kohlendioxid und Abgabe von Sauerstoff) erfolgt durch Diffusion durch die Stomata (ein Teil der Gase bewegt sich durch die Kutikula).

Da Kohlendioxidmangel den Verlust von Assimilaten während der Photorespiration signifikant erhöht, ist es notwendig, eine hohe Kohlendioxidkonzentration im Interzellularraum aufrechtzuerhalten, was bei offenen Spaltöffnungen möglich ist. Die Spaltöffnungen bleiben jedoch offen hohe Temperatur führt zu einer erhöhten Verdunstung von Wasser, was zu einem Wassermangel führt und auch die Produktivität der Photosynthese verringert. Dieser Konflikt wird nach dem Prinzip des adaptiven Kompromisses gelöst. Darüber hinaus vermeidet die primäre Aufnahme von Kohlendioxid in der Nacht bei niedrigen Temperaturen in Pflanzen mit CAM-Photosynthese hohe transpirative Wasserverluste.

Photosynthese auf Gewebeebene

Auf Gewebeebene wird die Photosynthese in höheren Pflanzen von einem spezialisierten Gewebe - Chlorenchym - bereitgestellt. Es befindet sich nahe der Oberfläche des Pflanzenkörpers, wo es genügend Lichtenergie erhält. Typischerweise befindet sich Chlorenchym direkt unter der Epidermis. Bei Pflanzen, die unter Bedingungen erhöhter Sonneneinstrahlung wachsen, können sich zwischen Epidermis und Chlorenchym eine oder zwei Schichten transparenter Zellen (Hypoderm) befinden, die für Lichtstreuung sorgen. Bei einigen schattenliebenden Pflanzen ist die Epidermis auch reich an Chloroplasten (z. B. Säure). Oft ist das Chlorenchym des Blattmesophylls in palisadenförmig (säulenförmig) und schwammig differenziert, kann aber auch aus homogenen Zellen bestehen. Bei der Differenzierung ist das Palisadenchlorenchym das reichste an Chloroplasten.

Chloroplasten

Der Innenraum des Chloroplasten ist mit farblosem Inhalt (Stroma) gefüllt und von Membranen (Lamellen) durchzogen, die miteinander verbunden Thylakoide bilden, die wiederum zu grana genannten Stapeln gruppiert sind. Der intrathylakoide Raum ist getrennt und kommuniziert nicht mit dem Rest des Stromas; Es wird auch angenommen, dass der Innenraum aller Thylakoide miteinander kommuniziert. Die Lichtstufen der Photosynthese sind auf Membranen beschränkt, die autotrophe Fixierung von CO 2 findet im Stroma statt.

Chloroplasten haben ihre eigene DNA, RNA, Ribosomen (wie 70er), die Proteinsynthese ist im Gange (obwohl dieser Prozess vom Zellkern aus gesteuert wird). Sie werden nicht erneut synthetisiert, sondern durch Teilung der vorherigen gebildet. All dies ermöglichte es, sie als Nachkommen freier Cyanobakterien zu betrachten, die im Prozess der Symbiogenese in die Zusammensetzung der eukaryotischen Zelle aufgenommen wurden.

Photosynthesemembranen in Prokaryoten

Photochemische Essenz des Prozesses

Photosystem I

Lichtsammelkomplex I enthält ungefähr 200 Chlorophyllmoleküle.

Das Reaktionszentrum des ersten Photosystems enthält ein Chlorophyll-a-Dimer mit einem Absorptionsmaximum bei 700 nm (P 700). Nachdem es durch ein Lichtquant angeregt wurde, stellt es den primären Akzeptor wieder her - Chlorophyll a, das ist sekundär (Vitamin K 1 oder Phyllochinon), wonach das Elektron auf Ferredoxin übertragen wird, das NADP mithilfe des Ferredoxin-NADP-Reduktase-Enzyms wiederherstellt.

Das im b 6 f-Komplex reduzierte Plastocyanin-Protein wird von der Seite des intrathylakoiden Raums zum Reaktionszentrum des ersten Photosystems transportiert und überträgt ein Elektron auf das oxidierte P 700 .

Zyklischer und pseudozyklischer Elektronentransport

Zusätzlich zu dem oben beschriebenen vollständigen nichtzyklischen Elektronenpfad wurden zyklische und pseudozyklische Pfade gefunden.

Die Essenz des zyklischen Weges besteht darin, dass Ferredoxin anstelle von NADP Plastochinon wiederherstellt, das es zurück auf den b 6 f-Komplex überträgt. Das Ergebnis ist ein größerer Protonengradient und mehr ATP, aber kein NADPH.

Im pseudozyklischen Weg reduziert Ferredoxin Sauerstoff, der weiter in Wasser umgewandelt wird und im Photosystem II verwendet werden kann. Es produziert auch kein NADPH.

dunkle Phase

Im Dunkelstadium wird CO 2 unter Beteiligung von ATP und NADP zu Glucose (C 6 H 12 O 6) reduziert. Licht wird für diesen Prozess zwar nicht benötigt, ist aber an seiner Regulation beteiligt.

C 3 -Photosynthese, Calvin-Zyklus

In der zweiten Stufe wird FHA in zwei Stufen wiederhergestellt. Zuerst wird es durch ATP unter Einwirkung von Phosphoglycerokinase unter Bildung von 1,3-Diphosphoglycerinsäure (DPHA) phosphoryliert, dann wird unter dem Einfluss von Triosephosphatdehydrogenase und NADPH die Acylphosphatgruppe von DFGK dephosphoryliert und zu reduziert eine Aldehydgruppe und es entsteht Glycerinaldehyd-3-Phosphat - ein phosphoryliertes Kohlenhydrat (PHA).

In der dritten Stufe sind 5 PHA-Moleküle beteiligt, die durch die Bildung von 4-, 5-, 6- und 7-Kohlenstoff-Verbindungen zu 3 5-Kohlenstoff-Ribulose-1,5-Biphosphat kombiniert werden, was 3 ATP benötigt .

Schließlich sind zwei PHAs für die Glucosesynthese erforderlich. Für die Bildung eines seiner Moleküle werden 6 Umdrehungen des Zyklus, 6 CO 2 , 12 NADPH und 18 ATP benötigt.

C 4 -Photosynthese

Der Unterschied zwischen diesem Mechanismus der Photosynthese und dem üblichen besteht darin, dass die Fixierung von Kohlendioxid und seine Verwendung räumlich zwischen verschiedenen Zellen der Pflanze getrennt sind.

Bei einer niedrigen Konzentration von im Stroma gelöstem CO 2 katalysiert Ribulose-Bisphosphat-Carboxylase die Oxidationsreaktion von Ribulose-1,5-Bisphosphat und seine Zersetzung in 3-Phosphoglycerinsäure und Phosphoglycolsäure, die zwangsweise im Prozess der Photorespiration verwendet wird.

Um die Konzentration von CO 2 C 4 zu erhöhen, haben Pflanzen die Anatomie des Blattes verändert. Der Calvin-Zyklus in ihnen ist in den Zellen der Hülle des Leitbündels lokalisiert, während in den Zellen des Mesophylls unter Einwirkung von PEP-Carboxylase Phosphoenolpyruvat zu Oxalessigsäure carboxyliert wird, die sich in Malat oder Aspartat umwandelt und ist zu den Zellen der Hülle transportiert, wo es unter Bildung von Pyruvat decarboxyliert wird, das zu den Zellen des Mesophylls zurückgeführt wird.

Die C 4 -Photosynthese geht praktisch nicht mit Verlusten von Ribulose-1,5-biphosphat aus dem Calvin-Zyklus einher und ist daher effizienter. Es benötigt jedoch nicht 18, sondern 30 ATP für die Synthese von 1 Glucosemolekül. Dies zahlt sich in den Tropen aus, wo das heiße Klima es erfordert, die Stomata geschlossen zu halten, um das Eindringen von CO2 in das Blatt zu verhindern, und auch bei einer ruderalen Lebensweise.

Die Photosynthese entlang des C4-Wegs wird von etwa 7600 Pflanzenarten durchgeführt. Sie alle gehören zu den Blütenpflanzen: viele Getreidearten (61 % der Arten, einschließlich kultivierter Arten - Mais, Zuckerrohr und Sorghum usw.), Nelken (der größte Anteil in den Marev-Familien - 40 % der Arten, Amaranths - 25 %) , etwas Segge, Astrovye, Kohl, Euphorbiaceae.

CAM-Photosynthese

Die Entstehung auf der Erde vor mehr als 3 Milliarden Jahren ist der Mechanismus der Spaltung eines Wassermoleküls durch Sonnenlichtquanten unter Bildung von O 2 großes Ereignis in der biologischen Evolution, die das Licht der Sonne zur Hauptenergiequelle der Biosphäre gemacht hat.

Die Energie, die die Menschheit aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe (Kohle, Öl, Erdgas, Torf) erhält, wird auch im Prozess der Photosynthese gespeichert.

Die Photosynthese dient als Haupteintrag von anorganischem Kohlenstoff in den biogeochemischen Kreislauf.

Die Photosynthese ist die Grundlage für die Produktivität landwirtschaftlich wichtiger Pflanzen.

Der größte Teil des freien Sauerstoffs in der Atmosphäre ist biogenen Ursprungs und ist Nebenprodukt Photosynthese. Die Bildung einer oxidierenden Atmosphäre (eine Sauerstoffkatastrophe) veränderte den Zustand der Erdoberfläche vollständig, ermöglichte das Auftreten von Atmung und ermöglichte später, nach der Bildung der Ozonschicht, das Leben an Land.

Geschichte des Studiums

Die ersten Experimente zum Studium der Photosynthese wurden von Joseph Priestley in den 1780er Jahren durchgeführt, als er auf die „Schädigung“ der Luft in einem verschlossenen Gefäß durch eine brennende Kerze aufmerksam machte (die Luft unterstützte die Verbrennung nicht mehr und die Tiere wurden hineingestellt es erstickte) und seine "Korrektur" durch Pflanzen. Priestley kam zu dem Schluss, dass Pflanzen Sauerstoff abgeben, der für Atmung und Verbrennung notwendig ist, bemerkte jedoch nicht, dass Pflanzen dafür Licht benötigen. Das zeigte bald Jan Ingenhaus.

Später wurde festgestellt, dass Pflanzen neben der Freisetzung von Sauerstoff Kohlendioxid absorbieren und unter Beteiligung von Wasser im Licht organische Stoffe synthetisieren. In Herrn Robert Mayer postulierte er auf der Grundlage des Energieerhaltungssatzes, dass Pflanzen die Energie des Sonnenlichts in die Energie chemischer Bindungen umwandeln. Bei Herrn W. Pfeffer wurde dieser Vorgang Photosynthese genannt.

Chlorophylle wurden erstmals in P. J. Pelletier und J. Cavantou isoliert. MS Tsvet gelang es, die Pigmente zu trennen und mit der von ihm entwickelten Chromatographiemethode separat zu untersuchen. Die Absorptionsspektren von Chlorophyll wurden von K. A. Timiryazev untersucht, der bei der Entwicklung der Bestimmungen von Mayer zeigte, dass es die absorbierten Strahlen sind, die es ermöglichen, die Energie des Systems zu erhöhen und zu erzeugen, anstatt zu schwächen C-O-Verbindungen und O-H-Hochenergie-C-C (bevor man glaubte, dass die Photosynthese gelbe Strahlen verwendet, die nicht von Blattpigmenten absorbiert werden). Dies gelang dank der von ihm geschaffenen Methode zur Berücksichtigung der Photosynthese durch absorbiertes CO 2 : Im Zuge von Experimenten zur Beleuchtung einer Pflanze mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen ( verschiedene Farben) stellte sich heraus, dass die Intensität der Photosynthese mit dem Absorptionsspektrum von Chlorophyll übereinstimmt.

Die Redoxessenz der Photosynthese (sowohl oxygen als auch anoxygen) wurde von Cornelis van Neel postuliert, der 1931 auch bewies, dass violette Bakterien und grüne Schwefelbakterien anoxygene Photosynthese durchführen. Die Redoxnatur der Photosynthese bedeutete, dass Sauerstoff bei der oxygenen Photosynthese vollständig aus Wasser gebildet wird, was in Experimenten mit Isotopenmarkierung in der Stadt A. P. Vinogradov experimentell bestätigt wurde. Bei Herrn Robert Hill wurde festgestellt, dass der Prozess der Wasseroxidation (und Freisetzung von Sauerstoff) sowie die Assimilation von CO 2 getrennt werden können. In-gg. D. Arnon etablierte den Mechanismus der Lichtstadien der Photosynthese, und die Essenz des CO 2 -Assimilationsprozesses wurde von Melvin Calvin unter Verwendung von Kohlenstoffisotopen am Ende enthüllt

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