Фотосинтез 2 вариант

1.Изучите схему, демонстрирующую процесс фотосинтеза, протекающий
в хлоропласте. Какое из перечисленных веществ соответствует цифре 2
на этой схеме?

1) вода

2) углекислый газ

3) кислород

4) глюкоза

2. Растительные клетки способны к фотосинтезу. Этот процесс происходит в

1) рибосомах

2) митохондриях

3) лейкопластах

4) хлоропластах

3. Изучите схему, демонстрирующую процесс фотосинтеза, протекающий
в хлоропласте. Какое из перечисленных веществ соответствует цифре 4
на этой схеме?

1) вода

2) углекислый газ

3) кислород

4) глюкоза

4. Формулу какого вещества следует вписать на месте пропуска в схеме химической реакции?

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = … + 6Н 2 О

1) угарного газа

2) углекислого газа

3) кислорода

4) хлорофилла

5. Какой газ поглощают растения из атмосферного воздуха в процессе фотосинтеза?

1) углекислый газ

2) угарный газ

3) кислород

4) азот

6. Растения потребляют кислород и выделяют углекислый газ в процессе

1) фотосинтеза на свету

2) передвижения органических веществ

3) дыхания только в темноте

4) дыхания на свету и в темноте

7. Изучите график зависимости относительной скорости фотосинтеза от силы света (по оси x отложена относительная сила света в канделах, а по оси у – относительная скорость фотосинтеза (в усл. ед.)). Определите, при какой силе света, из перечисленных, относительная скорость фотосинтеза будет максимальной.

1) 500 кандел

2) 1000 кандел

3) 1500 кандел

4) 2000 кандел

8. Что происходит в процессе фотосинтеза? Выберите три верных ответа из шести и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.

1) расщепление молекул воды

2) образование глюкозы

3) поглощение энергии света молекулами хлорофилла

4) образование белка

5) поглощение кислорода

6) выделение углекислого газа

9. Верны ли следующие суждения о фотосинтезе?

А . В процессе фотосинтеза выделяется кислород в атмосферу.

Б. В процессе фотосинтеза расходуется органическое вещество.

1) верно только А

2) верно только Б

3) оба суждения верны

4) оба суждения неверны

10. В отличие от фотосинтеза, процесс дыхания

1) идёт только на свету

2) связан с поглощением углекислого газа

3) происходит круглосуточно

4) происходит только в листьях

11. Верны ли следующие суждения о процессах жизнедеятельности растений?

А. Основная функция фотосинтеза – образование кислорода.

В. Основная функция клеточного дыхания – поглощение кислорода.

1) верно только А

2) верно только Б

3) оба суждения верны

4) оба суждения неверны

12. Вставьте в текст «Темновая фаза фотосинтеза» пропущенные термины из предложенного перечня, используя для этого цифровые обозначения. Запишите в текст цифры выбранных ответов, а затем получившуюся последовательность цифр (по тексту) впишите в приведённую ниже таблицу.

ТЕМНОВАЯ ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА

В настоящее время установлено, что фотосинтез протекает в две фазы: __________ (А) и темновую. Для протекания реакций темновой фазы наличие света __________ (Б). В это время происходит усвоение __________ (В) из воздуха, его восстановление ионами водорода и образование органического вещества __________ (Г) благодаря накопленной в световой фазе энергии.

ПЕРЕЧЕНЬ ТЕРМИНОВ:

1-световая, 2-углекислый газ, 3-кислород, 4-белок, 5-сумеречная, 6-необязательно, 7-глюкоза, 8-обязательно

13 . Используя содержание текста «Дыхание растений и фотосинтез», ответьте на следующие вопросы.

1) В каких клетках происходит процесс дыхания?

2) Какова роль кислорода в процессе фотосинтеза?

3) На что затрачивается энергия в процессе дыхания?

ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ И ФОТОСИНТЕЗ

У растений дыхание присуще всем органам, тканям и клеткам. Для дыхания они используют атмосферный кислород, проникающий через устьица листьев и зелёных побегов, кожицу молодых корней, а также чечевички древесных стеблей. Кроме того, растения для дыхания расходуют кислород, образовавшийся в результате фотосинтеза. Дышат растения и днём, и ночью. Днём для дыхания используется в основном атмосферный кислород, а ночью, когда устьица закрыты – кислород, накопленный в листьях в процессе фотосинтеза. Поступающий при дыхании кислород окисляет имеющиеся в растении органические вещества до углекислого газа и воды. При этом освобождается заключённая в органических веществах энергия, которая расходуется растением для роста, развития и размножения. Образующийся при дыхании растений углекислый газ удаляется через устьица, чечевички, через всю поверхность молодых корней.

Дыхание растений – процесс противоположный фотосинтезу. Фотосинтез происходит главным образом в мякоти листьев растений, в которых расположена основная фотосинтезирующая ткань. Её клетки содержат хлоропласты с зелёным пигментом – хлорофиллом, способным улавливать свет. В процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды на свету в хлоропластах клеток образуется глюкоза. Синтезированные в процессе фотосинтеза органические вещества используются растением для питания и синтеза других органических веществ: жиров, белков, витаминов и гормонов. Все эти органические вещества идут на построение тела растения, а также откладываются в запасающих тканях и используются при дыхании. Побочным продуктом фотосинтеза является свободный кислород. Он образуется в процессе фотосинтеза и выделяется растением в окружающую среду.

Вспомните из учебника «Растения. Бактерии. Гри бы и лишайники», в чем сущность фотосинтеза. В ка ких органоидах клетки он протекает? Какие вещества участвуют и какие синтезируются при фотосин тезе? Какие условия необходимы для фотосинтеза?

Жизнь на Земле зависит от автотрофных организмов. Почти все органические вещества, необходимые для жи -вых клеток, производятся в процессе фотосинтеза.

Фотосинтез (от греч. фотос - свет и синтезис - соединение, сочетание) - превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами неорганических веществ (воды и углекислого газа) в органические за счет солнечной энергии, которая преобразуется в энергию химических связей в молекулах органических веществ.

Рис. 55. Дж. Пристли (1783-1804) и его опыт

История открытия и изучения фотосинтеза. В течение нескольких веков ученые-биологи пытались разгадать тайну зеленого листа. Долгое время считалось, что растения создают питательные вещества из воды и минеральных веществ.

Открытие роли зеленого листа принадлежит не биологу, а химику - английскому ученому Джозефу Пристли (рис. 55). В 1771 г., изучая значение воздуха для горения веществ и дыхания, он поставил следующий опыт. В герметичный стеклянный сосуд он поместил мышь и убедился через некоторое время в том, что она, израсходовав на дыхание весь кислород воздуха, погибла. Но если рядом с ней ставили живое растение, то мышь продолжала жить. Следовательно, воздух в сосуде оставался хорошим. Пристли сделал важный вывод: растения улучшают воздух, насыщая его кислородом, - делают его пригодным для дыхания. Так впервые была установлена роль зеленых растений. Пристли первым высказал предположение и о роли света в жизнедеятельности растений.

Большой вклад в изучение фотосинтеза внес русский ученый К.А. Тимирязев (рис. 56). Он исследовал влияние различных участков спектра солнечного света на процесс фотосинтеза и установил, что фотосинтез наиболее эффективен в красных лучах. Тимирязев доказал, что, усваивая углерод в присутствие солнечного света, растение преобразует его энергию в энергию органических веществ.

В своей работе «Солнце, жизнь и хлорофилл» К. А. Тимирязев подробно описал и научно обосновал свои опыты. Его методы лабораторных исследований использовали другие ученые для последующих работ по изучению фотосинтеза. Актом авторитетного признания научных заслуг ученого явилось приглашение Климента Аркадьевича Тимирязева в 1903 г. в Лондонское королевское общество для чтения знаменитой лекции «Космическая роль растений». За свои работы по изучению фотосинтеза он был избран почетным доктором ряда западноевропейских университетов.

Фазы фотосинтеза. В процессе фотосинтеза энергетически бедные вода и углекислый газ превращаются в энергоемкое органическое вещество - глюкозу. При этом солнечная энергия аккумулируется в химических связях этого вещества. Кроме того, в процессе фотосинтеза в атмосферу выделяется кислород, который используется организмами для дыхания.

Рис. 56. Климент Аркадьевич Тимирязев(1843 - 1920)

В настоящее время установлено, что фотосинтез протекает в две фазы - световую и темновую (рис. 57).

Рис. 57. Общая схема фотосинтеза

Рис. 58. Интенсивность фотосинтеза в разных спектрах света

В световую фазу благодаря солнечной энергии происходит возбуждение молекул хлорофилла и синтез АТФ. Одновременно с этой реакцией под действием света разлагается вода (Н20) с выделением свободного кислорода (02). Этот процесс назвали фотолизом (от греч. фотос - свет и лизис - растворение). Образовавшиеся ионы водорода связываются с особым веществом - переносчиком ионов водорода (НАДФ) и используются в следующей фазе.

Для протекания реакций темповой фазы наличие света необязательно. Источником энергии здесь служат синтезированные в световую фазу молекулы АТФ. В темповой фазе происходит усвоение углекислого газа из воздуха, его восстановление ионами водорода и ооразование глюкозы благодаря использованию энергии АТФ.

Влияние условий среды на фотосинтез. При фотосинтезе используется только 1% солнечной энергии, падающей на лист. Фотосинтез зависит от целого ряда условий среды. Во-первых, наиболее интенсивно этот процесс протекает под влиянием красных лучей солнечного спектра (рис. 58). Степень интенсивности фотосинтеза определяется по количеству выделившегося кислорода, который вытесняет воду из цилиндра. Скорость фотосинтеза зависит также и от степени освещенности растения. Увеличение продолжительности светового дня приводит к росту продуктивности фотосинтеза, т. е. количества образуемых растением органических веществ.

Значение фотосинтеза. Продукты фотосинтеза используются:

• организмами в качестве питательных веществ, источника энергии и кислорода для процессов жизнедеятельности;
• в производстве человеком продуктов питания;
• в качестве строительного материала для построек жилищ, в производстве мебели и др.

Человечество своим существованием обязано фотосинтезу. Все запасы горючего на Земле - это продукты, образованные в результате фотосинтеза. Используя уголь и древесину, мы получаем энергию, которая была запасена в органических веществах при фотосинтезе. Одновременно в атмосферу выделяется кислород. По подсчетам ученых, без фотосинтеза весь запас кислорода был бы израсходован за 3000 лет.

Хемосинтез. Кроме фотосинтеза, известен еще один способ получения энергии и синтеза органических веществ из неорганических. Некоторые бактерии способны извлекать энергию путем окисления различных неорганических веществ. Для создания органических веществ им не нужен свет. Процесс синтеза органических веществ из неорганических, проходящий благодаря энергии окисления неорганических веществ, называют хемосинтезом (от лат. хемия - химия и греч. синтезис - соединение, сочетание).

Хемосинтезирующие бактерии были открыты русским ученым С.Н.Виноградским. В зависимости оттого, при окислении какого вещества выделяется энергия, различают хемосинтезирующие железобактерии, серобактерии и азотобактерии.

Упражнения по пройденному материалу

1. Дайте определение фотосинтеза. Какое значение имеет этот процесс для жизни на Земле?
2. Какие вещества образуются в световую фазу фотосинтеза?
3. Назовите основные реакции темповой фазы. За счет какой энергии синтезируется глюкоза?
4. В чем основное отличие хемосинтеза от фотосинтеза?
5. Объясните, почему в процессе исторического развития органического мира фотосинтезирующие организмы заняли господствующее положение по сравнению с хемосинтезирующими.

— синтез органических веществ из углекислого газа и воды с обязательным использованием энергии света:

6СО 2 + 6Н 2 О + Q света → С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 .

У высших растений органом фотосинтеза является лист, органоидами фотосинтеза — хлоропласты (строение хлоропластов — лекция №7). В мембраны тилакоидов хлоропластов встроены фотосинтетические пигменты: хлорофиллы и каротиноиды. Существует несколько разных типов хлорофилла (a, b, c, d ), главным является хлорофилл a . В молекуле хлорофилла можно выделить порфириновую «головку» с атомом магния в центре и фитольный «хвост». Порфириновая «головка» представляет собой плоскую структуру, является гидрофильной и поэтому лежит на той поверхности мембраны, которая обращена к водной среде стромы. Фитольный «хвост» — гидрофобный и за счет этого удерживает молекулу хлорофилла в мембране.

Хлорофиллы поглощают красный и сине-фиолетовый свет, отражают зеленый и поэтому придают растениям характерную зеленую окраску. Молекулы хлорофилла в мембранах тилакоидов организованы в фотосистемы . У растений и синезеленых водорослей имеются фотосистема-1 и фотосистема-2, у фотосинтезирующих бактерий — фотосистема-1. Только фотосистема-2 может разлагать воду с выделением кислорода и отбирать электроны у водорода воды.

Фотосинтез — сложный многоступенчатый процесс; реакции фотосинтеза подразделяют на две группы: реакции световой фазы и реакции темновой фазы .

Световая фаза

Эта фаза происходит только в присутствии света в мембранах тилакоидов при участии хлорофилла, белков-переносчиков электронов и фермента — АТФ-синтетазы. Под действием кванта света электроны хлорофилла возбуждаются, покидают молекулу и попадают на внешнюю сторону мембраны тилакоида, которая в итоге заряжается отрицательно. Окисленные молекулы хлорофилла восстанавливаются, отбирая электроны у воды, находящейся во внутритилакоидном пространстве. Это приводит к распаду или фотолизу воды:

Н 2 О + Q света → Н + + ОН — .

Ионы гидроксила отдают свои электроны, превращаясь в реакционноспособные радикалы.ОН:

ОН — → .ОН + е — .

Радикалы.ОН объединяются, образуя воду и свободный кислород:

4НО. → 2Н 2 О + О 2 .

Кислород при этом удаляется во внешнюю среду, а протоны накапливаются внутри тилакоида в «протонном резервуаре». В результате мембрана тилакоида с одной стороны за счет Н + заряжается положительно, с другой за счет электронов — отрицательно. Когда разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны тилакоида достигает 200 мВ, протоны проталкиваются через каналы АТФ-синтетазы и происходит фосфорилирование АДФ до АТФ; атомарный водород идет на восстановление специфического переносчика НАДФ + (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) до НАДФ·Н 2:

2Н + + 2е — + НАДФ → НАДФ·Н 2 .

Таким образом, в световую фазу происходит фотолиз воды, который сопровождается тремя важнейшими процессами: 1) синтезом АТФ; 2) образованием НАДФ·Н 2 ; 3) образованием кислорода. Кислород диффундирует в атмосферу, АТФ и НАДФ·Н 2 транспортируются в строму хлоропласта и участвуют в процессах темновой фазы.

1 — строма хлоропласта; 2 — тилакоид граны.

Темновая фаза

Эта фаза протекает в строме хлоропласта. Для ее реакций не нужна энергия света, поэтому они происходят не только на свету, но и в темноте. Реакции темновой фазы представляют собой цепочку последовательных преобразований углекислого газа (поступает из воздуха), приводящую к образованию глюкозы и других органических веществ.

Первая реакция в этой цепочке — фиксация углекислого газа; акцептором углекислого газа является пятиуглеродный сахар рибулозобифосфат (РиБФ); катализирует реакцию фермент рибулозобифосфат-карбоксилаза (РиБФ-карбоксилаза). В результате карбоксилирования рибулозобисфосфата образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое сразу же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК). Затем происходит цикл реакций, в которых через ряд промежуточных продуктов фосфоглицериновая кислота преобразуется в глюкозу. В этих реакциях используются энергии АТФ и НАДФ·Н 2 , образованных в световую фазу; цикл этих реакций получил название «цикл Кальвина»:

6СО 2 + 24Н + + АТФ → С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О.

Кроме глюкозы, в процессе фотосинтеза образуются другие мономеры сложных органических соединений — аминокислоты, глицерин и жирные кислоты, нуклеотиды. В настоящее время различают два типа фотосинтеза: С 3 - и С 4 -фотосинтез.

С 3 -фотосинтез

Это тип фотосинтеза, при котором первым продуктом являются трехуглеродные (С 3) соединения. С 3 -фотосинтез был открыт раньше С 4 -фотосинтеза (М. Кальвин). Именно С 3 -фотосинтез описан выше, в рубрике «Темновая фаза». Характерные особенности С 3 -фотосинтеза: 1) акцептором углекислого газа является РиБФ, 2) реакцию карбоксилирования РиБФ катализирует РиБФ-карбоксилаза, 3) в результате карбоксилирования РиБФ образуется шестиуглеродное соединение, которое распадается на две ФГК. ФГК восстанавливается до триозофосфатов (ТФ). Часть ТФ идет на регенерацию РиБФ, часть превращается в глюкозу.

1 — хлоропласт; 2 — пероксисома; 3 — митохондрия.

Это светозависимое поглощение кислорода и выделение углекислого газа. Еще в начале прошлого века было установлено, что кислород подавляет фотосинтез. Как оказалось, для РиБФ-карбоксилазы субстратом может быть не только углекислый газ, но и кислород:

О 2 + РиБФ → фосфогликолат (2С) + ФГК (3С).

Фермент при этом называется РиБФ-оксигеназой. Кислород является конкурентным ингибитором фиксации углекислого газа. Фосфатная группа отщепляется, и фосфогликолат становится гликолатом, который растение должно утилизировать. Он поступает в пероксисомы, где окисляется до глицина. Глицин поступает в митохондрии, где окисляется до серина, при этом происходит потеря уже фиксированного углерода в виде СО 2 . В итоге две молекулы гликолата (2С + 2С) превращаются в одну ФГК (3С) и СО 2 . Фотодыхание приводит к понижению урожайности С 3 -растений на 30-40% (С 3 -растения — растения, для которых характерен С 3 -фотосинтез).

С 4 -фотосинтез — фотосинтез, при котором первым продуктом являются четырехуглеродные (С 4) соединения. В 1965 году было установлено, что у некоторых растений (сахарный тростник, кукуруза, сорго, просо) первыми продуктами фотосинтеза являются четырехуглеродные кислоты. Такие растения назвали С 4 -растениями . В 1966 году австралийские ученые Хэтч и Слэк показали, что у С 4 -растений практически отсутствует фотодыхание и они гораздо эффективнее поглощают углекислый газ. Путь превращений углерода в С 4 -растениях стали называть путем Хэтча-Слэка .

Для С 4 -растений характерно особое анатомическое строение листа. Все проводящие пучки окружены двойным слоем клеток: наружный — клетки мезофилла, внутренний — клетки обкладки. Углекислый газ фиксируется в цитоплазме клеток мезофилла, акцептор — фосфоенолпируват (ФЕП, 3С), в результате карбоксилирования ФЕП образуется оксалоацетат (4С). Процесс катализируется ФЕП-карбоксилазой . В отличие от РиБФ-карбоксилазы ФЕП-карбоксилаза обладает большим сродством к СО 2 и, самое главное, не взаимодействует с О 2 . В хлоропластах мезофилла много гран, где активно идут реакции световой фазы. В хлоропластах клеток обкладки идут реакции темновой фазы.

Оксалоацетат (4С) превращается в малат, который через плазмодесмы транспортируется в клетки обкладки. Здесь он декарбоксилируется и дегидрируется с образованием пирувата, СО 2 и НАДФ·Н 2 .

Пируват возвращается в клетки мезофилла и регенерирует за счет энергии АТФ в ФЕП. СО 2 вновь фиксируется РиБФ-карбоксилазой с образованием ФГК. Регенерация ФЕП требует энергии АТФ, поэтому нужно почти вдвое больше энергии, чем при С 3 -фотосинтезе.

Значение фотосинтеза

Благодаря фотосинтезу, ежегодно из атмосферы поглощаются миллиарды тонн углекислого газа, выделяются миллиарды тонн кислорода; фотосинтез является основным источником образования органических веществ. Из кислорода образуется озоновый слой, защищающий живые организмы от коротковолновой ультрафиолетовой радиации.

При фотосинтезе зеленый лист использует лишь около 1% падающей на него солнечной энергии, продуктивность составляет около 1 г органического вещества на 1 м 2 поверхности в час.

Хемосинтез

Синтез органических соединений из углекислого газа и воды, осуществляемый не за счет энергии света, а за счет энергии окисления неорганических веществ, называется хемосинтезом . К хемосинтезирующим организмам относятся некоторые виды бактерий.

Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Железобактерии превращают закисное железо в окисное (Fe 2+ → Fe 3+).

Серобактерии окисляют сероводород до серы или серной кислоты (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

В результате реакций окисления неорганических веществ выделяется энергия, которая запасается бактериями в форме макроэргических связей АТФ. АТФ используется для синтеза органических веществ, который проходит аналогично реакциям темновой фазы фотосинтеза.

Хемосинтезирующие бактерии способствуют накоплению в почве минеральных веществ, улучшают плодородие почвы, способствуют очистке сточных вод и др.

Перейти к лекции №11 «Понятие об обмене веществ. Биосинтез белков»

Перейти к лекции №13 «Способы деления эукариотических клеток: митоз, мейоз, амитоз»