Фотосинтез — это биологический процесс, в ходе которого энергия электромагнитного излучения превращается в химическую энергию органических соединений. Сначала свет поглощается молекулами пигментов в светособирающей антенне, затем происходит перенос энергии возбуждения к реакционному центру (особому связанному с мембраной молекулярному комплексу), который содержит хлорофилл или бактериохлорофилл. Именно в реакционном центре происходит первичная фотохимическая реакция — перенос электрона от первичного донора, обозначаемого символами D или Р, к акцептору А. Энергию света, запасаемую при разделении зарядов, растение использует для осуществления реакций электронного транспорта, которые дают энергию для синтеза устойчивых высокоэнергетических соединений (АТФ, НАДФН+Н, углеводов).

В процессе фотосинтеза на Земле первично создаются органические вещества, используемые в дальнейшем в качестве пищи, кормов, горючего, промышленного сырья и т.


Фотосинтез включен в глобальный газообмен на планете, обеспечивая необходимый для жизни уровень кислорода, а также необходимый для биосферы в целом уровень углекислого газа. Очевидно, что фотосинтез с момента своего возникновения играет ключевую роль в эволюции биосферы. Определяющими состояние биосферы параметрами являются количество запасенного органического вещества (валовая первичная продукция), количество выделившегося кислорода, балансовый уровень углекислого газа в атмосфере (глобальная температура, глобальный климат). Глобальная модель климата показывает, что после мелового периода уровень CO2 снизился от 2800 ppm до 330-360 ppm. Падение концентрации CO2 привело к снижению эффективности С3 фотосинтеза и усилению фотодыхания, в ходе которого может «теряться» до 50 % ассимилированного углерода.
Это послужило эволюционным стимулом для создания CO2 — концентрирующего механизма. Первыми проблему увеличения концентрации CO2 в клеточном пространстве, решили цианобактерии и водоросли.

Хлоропласт. Эти органоиды содержатся в клетках листьев и других зеленых органов растений, а также у разнообразных водорослей. Размеры хлоропластов 4-6 мкм, наиболее часто они имеют овальную форму. Xлоропласт — основной органоид клеток растений, в котором происходит фотосинтез.

Строение хлоропластов


По строению хлоропласты сходны с митохондриями. От цитоплазмы хлоропласт отграничен двумя мембранами — наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, без складок и выростов, а внутренняя образует много складчатых выростов, направленных внутрь хлоропласта. Поэтому внутри хлоропласта сосредоточено большое количество мембран, образующих особые структуры — граны. Они сложены наподобие стопки монет.  В мембранах гран располагаются молекулы хлорофилла, потому именно здесь происходит фотосинтез. В хлоропластах синтезируется и АТФ. Между внутренними мембранами хлоропласта содержатся ДНК, РНК. и рибосомы. Следовательно, в хлоропластах, так же как и в митохондриях, происходит синтез белка, необходимого для деятельности этих органоидов. Хлоропласты размножаются делением.

Хлорофилл в хлоропластах появляется в процессе зеленения пластид. У высших растений и водорослей встречаются хлорофиллы, a, b, с, d, e. Только хлорофилл а присутствует во всех перечисленных группах. Эмпирическая формула хлорофилла а C55H7205N4Mg.

Формула хлорофилла


По химической природе молекула хлорофилла состоит из порфиринового кольца (тетрапиррола) в составе дикарбоновой кислоты — хлорофиллина, этерифицированной остатком метилового спирта и высокомолекулярного одноатомного спирта — фитола.

Ядро хлорофилла обладает гидрофильными свойствами, остаток фитола — гидрофобными свойствами. Это позволяет молекуле хлорофилла взаимодействовать как с белками, так и с липидами. Хлорофиллы легкорастворимы в ацетоне, серном эфире, этаноле, метаноле, сероуглероде, бензоле, плохо растворимы в петролейном эфире.

Представления о существовании фотосинтетических единиц сформировались на основе работ Эмерсона и Арнольда (1932). Ими впервые было показано, что в выделении одной молекулы кислорода в процессе фотосинтеза участвуют от 2000 до 2500 молекул хлорофилла. Эта величина и получила название «фотосинтетическая единица».

Фотосинтез начинается с того, что излучаемые солнцем фотоны попадают в особые пигментные молекулы, находящиеся в листе, — молекулы хлорофилла. Хлорофилл содержится в клетках листа, в мембранах клеточных органелл хлоропластов (именно они придают листу зеленую окраску). Процесс улавливания энергии состоит из двух этапов и осуществляется в раздельных кластерах молекул — эти кластеры принято называть Фотосистемой I и Фотосистемой II.

iv>
Световая фаза фотосинтеза

Номера кластеров отражают порядок, в котором эти процессы были открыты, и это одна из забавных научных странностей, поскольку в листе сначала происходят реакции в Фотосистеме II, и лишь затем — в Фотосистеме I. Когда фотон сталкивается с 250-400 молекулами Фотосистемы II, энергия скачкообразно возрастает и передается на молекулу хлорофилла.

В этот момент происходят две химические реакции:

  • молекула хлорофилла теряет два электрона (которые принимает другая молекула, называемая акцептором электронов)
  • расщепляется молекула воды.

Электроны двух атомов водорода, входивших в молекулу воды, возмещают два потерянных хлорофиллом электрона. После этого высокоэнергетический («быстрый») электрон перекидывают друг другу, как горячую картофелину, собранные в цепочку молекулярные переносчики. При этом часть энергии идет на образование молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), одного из основных переносчиков энергии в клетке. Тем временем немного другая молекула хлорофилла Фотосистемы I поглощает энергию фотона и отдает электрон другой молекуле-акцептору. Этот электрон замещается в хлорофилле электроном, прибывшим по цепи переносчиков из Фотосистемы II. Энергия электрона из Фотосистемы I и ионы водорода, образовавшиеся ранее при расщеплении молекулы воды, идут на образование НАДФ-Н, другой молекулы-переносчика. В результате процесса улавливания света энергия двух фотонов запасается в молекулах, используемых клеткой для осуществления реакций, и дополнительно образуется одна молекула кислорода.


Схема фотосинтеза

Первая стадия фотосинтеза протекает на свету. Световые кванты дают электронам энергию, необходимую для переноса их от хлорофилла или другого фотосинтезирующего пигмента. В ходе первой стадии из АДФ (аденозиндифосфата) и фосфата синтезируется АТФ, а НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) восстанавливается до НАДФ·H2. Синтез АТФ за счёт энергии световых квантов называется фотофосфорилированием. Этот процесс может быть циклическим (в реакции «работают» одни и те же электроны) и нециклическим (электроны в конце концов доходят до НАДФ и, взаимодействуя с ионами водорода, образуют НАДФ·H2). Кислород как побочный продукт реакции выделяется только во втором случае.

Для реакций второй стадии свет не нужен. Восстановление CO2 происходит за счет энергии АТФ и накопленного НАДФ·H2. Углекислый газ связывается с пятиуглеродным сахаром рибулозобисфосфатом, образуя две молекулы трёхуглеродной фосфоглицериновой кислоты (ФГК). Такой процесс получил название C3-фотосинтеза

>

После того как солнечная энергия поглощена и запасена, наступает очередь образования углеводов. Основной механизм синтеза углеводов в растениях был открыт Мелвином Кальвином, проделавшим в 1940-е годы серию экспериментов, ставших уже классическими. Калвин и его сотрудники выращивали водоросль в присутствии углекислого газа, содержащего радиоактивный углерод-14. Им удалось установить химические реакции темновой фазы, прерывая фотосинтез на разных стадиях.

Цикл превращения солнечной энергии в углеводы — так называемый цикл Кальвина — сходен с циклом Кребса: он тоже состоит из серии химических реакций, которые начинаются с соединения входящей молекулы с молекулой-«помощником» с последующей инициацией других химических реакций. Эти реакции приводят к образованию конечного продукта и одновременно воспроизводят молекулу-«помощника», и цикл начинается вновь. В цикле Кальвина роль такой молекулы-«помощника» выполняет пятиуглеродный сахар рибулозодифосфат (РДФ).

Цикл Кальвина


Цикл Кальвина начинается с того, что молекулы углекислого газа соединяются с РДФ. За счет энергии солнечного света, запасенной в форме АТФ и НАДФ-H, сначала происходят химические реакции связывания углерода с образованием углеводов, а затем — реакции воссоздания рибулозодифосфата. На шести витках цикла шесть атомов углерода включаются в молекулы предшественников глюкозы и других углеводов. Этот цикл химических реакций будет продолжаться до тех пор, пока поступает энергия. Благодаря этому циклу энергия солнечного света становится доступной живым организмам. У некоторых растений (например, у кукурузы и сахарного тростника, а также у многих тропических трав, включая ползучий сорняк) цикл осуществляется по-другому.

Дело в том, что углекислый газ в норме проникает через отверстия в поверхности листа, называемые устьицами. При высоких температурах устьица закрываются, защищая растение от чрезмерной потери влаги. В C3-растения при закрытых устьицах прекращается и поступление углекислого газа, что приводит к замедлению фотосинтеза и изменению фотосинтетических реакций. В случае же кукурузы углекислый газ присоединяется к трехуглеродной молекуле на поверхности листа, затем переносится во внутренние участки листа, где углекислый газ высвобождается и начинается цикл Кальвина. Благодаря этому довольно сложному процессу фотосинтез у кукурузы осуществляется даже в очень жаркую, сухую погоду.


стения, в которых происходит такой процесс, мы называем C4-растениями, поскольку углекислый газ в начале цикла транспортируется в составе четырехуглеродной молекулы. C3-растения — это в основном растения умеренного климата, а C4-растения в основном произрастают в тропиках. САМ-метаболизм состоит в том, что в ночное время в цитоплазме происходит восстановительное карбоксилирование ФЕП с образованием малата, как у С4-растений. Малат накапливается и хранится в вакуоли. Для образования ФЕП расходуется крахмал. Днем малат из вакуоли переходит в цитоплазму, где декарбоксилируется одним из трех возможных механизмов:    НАДФ-маликэнзима,    НАД-маликэнзима    и    ФЕП-карбоксикиназы.

С экологической точки зрения, САМ-метаболизм дает преимущества в условиях водного дефицита. В настоящее время установлено, что к САМ- метаболизму могут переходить С3-растения при водном дефиците, засолении, т. е. это достаточно распространенное явление. На скорость фотосинтеза влияют многие факторы. Основными из них являются интенсивность света, концентрация кислорода и углекислого газа, температура окружающей среды.

Состояние, когда скорость выделения кислорода растением равна скорости его дыхания, называется точкой компенсации.

Кислород в процессе фотосинтеза может действовать как конкурентный ингибитор, взаимодействуя с рибулозодисфосфатом вместо углекислого газа.


и этом образуется одна молекула ФГК и фосфогликолат, сразу расщепляющийся до гликолата. Чтобы вернуть хотя бы часть углерода, связанного в бесполезном гликолате, у растения имеется процесс, называемый фотодыханием. Это зависимое от света потребление кислорода с выделением углекислого газа, заметное лишь у C3-растений, не имеет ничего общего с обычным дыханием. Фотодыхание, в целом, идёт с поглощением энергии; в результате образуется фосфоглицерат, а 25 % углерода теряется в виде CO2. У C4-растений фотодыхания практически нет, что и является причиной их большей продуктивности.

В связи с энергетической проблемой учёные пытаются провести фотосинтетические процессы искусственно, особенно их первые этапы, когда вода под действием солнечной радиации расщепляется на кислород и водород. Сжигание водорода (с образованием воды) – экологически чистый процесс, который мог бы стать неплохой заменой современным источникам энергии.  Фотосинтез – единственный процесс, на основе которого, используя солнечную энергию, можно получать органическое вещество для формирования урожаев и повышать плодородие почвы. В результате фотосинтеза  создается 95% органического  сухого вещества. Поэтому можно утверждать, что управление этим процессом один из наиболее эффективных путей воздействия на продуктивность растений.

Источник: vseobiology.ru

Основные принципы действия регуляторных механизмов растительной клетки; компартментация каталитических систем и метаболических фондов протопласта как один из механизмов регуляции клеточного метаболизма.


Клетка – это мельчайшая единица жизни, характеризующаяся определенным типом обмена веществ, самостоятельным энергетическим циклом и способностью к саморегуляции и саморазвитию на основе взаимодействия различных своих компо-нентов и взаимодействия с внешними условиями. В живой клетке нет изолированных процессов. Основой этого взаимодействия служит непрерывный обмен продуктами реакций, образующимися в органоидах определенного вида и поступающими в цитоплазму и другие органоиды.

Сложное строение растительной клетки, дифференцированной на большое количество специализированных органоидов и структур в соответствии с выполняемыми ее функциями, требует и совершенных систем регуляции. Регуляция обеспечивает целостность и гомеостаз организма, т. е. сохранение постоянства параметров внутренней среды, а также создает условия для его развития (эпигенеза).

В ходе эволюции сначала возникли внутриклеточные системы регуляции. К ним относятся регуляция на уровне ферментов, генетическая и мембранная регуляции. Все эти системы регуляции тесно связаны между собой. Принципы действия регуляторных механизмов клетки:

– рецепторно-конформационный принцип;

– принцип компартментации;

– принцип взаимодействия компонентов цитоплазмы.

В основе всех форм внутриклеточной регуляции лежит единый первичный принцип – рецепторно-конформационный принцип. Белковая молекула – фермент, рецептор или регуляторный белок — «узнает» специфический для нее фактор и, взаимодействуя с ним, изменяет свою конфигурацию. В мультикомпонентных комплексах ферментов, генов и мембран конформационные изменения молекул-рецепторов кооперативно передаются на весь комплекс, влияя на его функциональную активность.

Важнейшими в регуляторных механизмах клетки является принцип компар-тментации, обуславливающий высокую степень временной и пространственной ор-ганизованности метаболизма, и взаимодействия компонентов цитоплазмы. Взаимо-действие обеспечивается наличием гиалоплазмы и эндоплазматической сети.

Компартменты – дифференцированные, специализированные участки, или отсеки в протоплазме, различаю­щиеся по степени активности содержащихся в них химических сое­динений и систем, регулирующих их превращения. Явление компартментации обуславливают клеточные мембраны, которые выполняют функцию расчленения биохимических процессов, разделения их между различ­ными компонентами протоплазмы и пространственного размещения в объеме клетки фондов метаболитов и ферментов.

В растительной клетке имеется три основных компартмента: сво­бодное пространство (СП), цитоплазма и вакуоль. Компартментальны отдельные участки клетки и органелл, отдельные участки мембран, отдельные фонды метаболитов, ферментов и всех других морфологических и химических компонентов протопласта.

Характерная особенность компартментированных метаболитов и ферментов — их подвижность, что достигается включением мета­болитов в везикулы и мелкие вакуоли и концентрацией их в трубоч­ках эндоплазматического ретикулума и других трубчатых структурах. Это способствует, например, отводу ассимилятов из хлоропластов без их соприкос­новения со стромой цитоплазмы. Эф­фективность действия механизмов фотофосфорилирования в хлоропластах определяется компартментами, обеспечивающими образование протонного градиента. Компартментальны в данном случае мембранные диски гран хлоропластов. Практиче­ски все основные пути метаболизма углеводов прочно ассоциирова­ны с определенными участками плазматических мембран. В клетке существуют компартменты, содержащие системы гликолиза, цикла Кребса и пентозофосфатного шунта. Так все участки цикла Кребса локализованы в матриксе или во внутренней мембране мито­хондрий. Аналогичные закономерности установлены для процессов биосинтеза и превращения аминокислот, по­глощения и выделения минеральных веществ, воды, регуляции действия имеющихся в клетке ферментов и т. п.

С появлением многоклеточных организмов развиваются и совершенствуются межклеточные системы регуляции. Они включают в себя по крайней мере трофическую, гормональную и электрофизиологическую системы. Такие взаимодействия сразу обнаруживаются при культивировании частей и органов растений в изолированном виде. Для поддержания жизни изолированных частей в инкубационную среду необходимо добавлять трофические и гормональные факторы, в норме поступающие из других органов целого растения.

Важным также является взаимная координация процессов, реакций, координация накопления и выделения веществ и энергии клеткой. Так, нуклеиновые кислоты играют роль хранителя и передатчика наследственной информации (ДНК) и посредника ее реализации (РНК). Белки несут функции рабочих механизмов – это ферменты, которые входят в состав клеточных структур и многих активных соединений. Основной механизм регуляции внутриклеточных процессов связан с влиянием на ферменты разнообразных факторов. Это может осуществляться на генетическом уровне, если определяется состав ферментов или количество того или иного фермента в клетке. Второй тип регуляции – влияние на сам фермент, в результате чего активность его может стимулироваться или ингибироваться. Может иметь место также структурный уровень регуляции – влияние на образование и сборку клеточных структур (мембран, хлоропластов, рибосом, митохондрий и т. д.). Конкретными регуляторами внутриклеточных процессов могут быть фитогормоны, которые вырабатываются клетками или окружающими их другими клетками, или продукты реакций по принципу обратной связи (аллостерический эффект). Регуляция может осуществляться также путем транспортировки в клетку продуктов метаболизма и их предшественников, ионов, изменения формы регулируемого фермента (конформаций).

 

Структурная организация фотосинтетического аппарата, строение листа как органа фотосинтеза, ультраструктура и онтогенез хлоропластов

«Зеленый лист, или, вернее, микроскопическое зеленое зерно хлорофилла является фокусом, точкой в мировом пространстве, в которую с одного конца притекает энергия солнца, а с другого берут начало все проявления жизни на земле. Растение — посредник между небом и землею. Оно истинный Прометей, похитивший огонь с неба» ( К. А. Тимирязев ).

Основой фотосинтетического аппарата служат:

− у высших зелёных растений внутриклеточные органеллы – хлоропласты;

− у большинства водорослей − специализированные внутриклеточные органеллы – хроматофоры;

− у фотосинтезирующих бактерий и синезелёных водорослей – тилакоиды (мембраны их содержат пигмент бактериохлорофилл или бактериовиридин, а также др. компоненты реакций фотосинтеза), погруженные в периферические слои цитоплазмы.

Хлоропласты занимают 20–30% объёма растительной клетки. У водорослей, например хламидомонады, имеется один хлоропласт, в клетке высших растений содержится от 10 до 70 хлоропластов и более.

Хлорофилл и каротиноиды, погруженные в тилакоидные мембраны хлоропластов, собраны в функциональные единицы – фотосистемы, каждая из которых содержит примерно 250 молекул пигментов. Фотосистема – совокупность ССК (светособирающего комплекса), фотохимического реакционного центра и переносчиков электрона.

ССК растений расположен в мембранах тилакоидов, у цианобактерий основная его часть вынесена за пределы мембран в прикреплённые к ним фикобилисомы — палочковидные полипептидно-пигментные комплексы, в которых находятся различные фикобилины: на периферии фикоэритрины, за ними фикоцианины и аллофикоцианины, последовательно передающие энергию на хлорофилл a реакционного центра.

Роль ССК состоит в том, чтобы собирать и передавать энергию квантов света на небольшое количество молекул (молекулы-ловушки) реакционных центров П680 и П700 которые и осуществляют фотохимические реакции.

Органом фотосинтеза у высших растений является лист. Кроме фотосинтеза в жизни растений лист выполняет функции газообмена, транспирации, синтеза ряда органических веществ, в том числе и фитогормонов.

Листья, будучи боковыми органами, как правило, имеют более или менее плоскую форму, что способствует созданию максимальной фотосинтезирующей поверхности.

Основной тканью листа является паренхимный комплекс клеток, несущий хлоропласты – мезофилл (греч. mesos – средний и филл) (рисунок 1). Остальные ткани листа обеспечивают работу мезофилла и поддерживают связь с окружающей средой. Покровная ткань (эпидермис) регулирует газообмен и транспирацию, защищает лист от внешних воздействий. Проводящие ткани осуществляют отток и приток веществ, поддерживают нормальное оводнение фотосинтезирующих клеток. Механические ткани совместно с живыми тургесцентными клетками мезофилла и эпидермиса образуют опорную систему листа.

Мезофилл. Представлен клетками основной паренхимы, расположенными между верхним и нижним эпидермисом (исключая механические ткани и проводящие пучки). Состоит из живых клеток, с тонкими оболочками, округлой или слегка вытянутой формы, реже с небольшими выростами. Благодаря многочисленным хлоропластам мезофилл окрашен в зеленый цвет, так называемая хлоренхима листа. Иногда оболочки клетки образуют складки внутрь полости клетки, что увеличивает рабочую поверхность хлоренхимных клеток.

У типичных дорсовентральных листьев мезофилл неоднороден и диффе-ренцирован на столбчатую (палисадную) и губчатую паренхиму.

 

В хлоропластах растительных клеток светособирающие комплексы расположены

Рисунок 1 – схема строения листа

Клетки столбчатой паренхимы плотно сомкнуты, имеют продолговатую форму и располагаются перпендикулярно к верхней стороне листа. Столбчатый мезофилл может быть однослойный, иногда двуслойный, редко (у светолюбивых растений) многослойный. Основная функция палисадной паренхимы – ассимиляция углекислого газа (фотосинтез). Палисадная ткань располагается в наилучших условиях освещения, непосредственно под верхней эпидермой. Благодаря тому, что ее клетки вытянуты перпендикулярно к поверхности листа, у них имеется возможность регулировать направление и расположение хлоропластов таким образом, чтобы избежать повреждающего действия прямой солнечной радиации на фотосинтезирующий аппарат.

Губчатую паренхиму составляют относительно округлые клетки с большими межклетниками, которые занимают больший объем, чем сами клетки. Рыхлая структура мезофилла обусловливает большую общую площадь поверхности клеток, обращенной к межклетникам. Через крупные межклетники губчатого мезофилла идет газообмен.

Хлоропласты

Форма – овальные тельца длиной 5-10 мкм и диаметром 2-3 мкм. Количество в клетке листа – 15-20, у некоторых водорослей — 1-2 гигантских хлоропласта различной формы. Окраска – зеленая, обусловлена содержанием в хлоропластах хлорофилла.

Хлоропласты – двухмембранные органоиды (рисунок 2). Внутреннее содержимое хлоропластов − строма (матрикс) представляет собой гомогенную среду. Хлоропласты, как и другие органоиды, например, митохондрии, имеют ламеллярное строение, т.е. внутренние структуры органоида образованы инвагинациями внутренней мембраны – ламеллами. В хлоропластах внутренняя мембрана образует уплощенные инвагинации — тилакоиды, которые могут иметь форму дисков и в этом случае называются тилакоидами гран.

 

В хлоропластах растительных клеток светособирающие комплексы расположены

 

Рисунок 2 – схема строения хлоропласта:

1 – липидная капля; 2 – зерна крахмала; 3 – наружная мембрана; 4 – грана; 5 – ДНК; 6 – рибосома; 7 – строма; 8 – тилакоид граны; 9 – тилакоид стромы; 10 – внутренняя мембрана

 

Несколько лежащих друг над другом тилакоидов образуют стопку – грану. Другие тилакоиды, связывающие между собой граны или не контактирующие с ними, называются тилакоидами стромы. При таком строении значительно увеличивается фотоактивная поверхность хлоропластов и обеспечивается максимальное использование световой энергии. В мембранах тилакоидов локализованы зеленые (хлорофиллы), желтые и красные (каротиноиды) пигменты, компоненты редокс-цепей и запасания энергии, участвующие в поглощении и использовании энергии света.

Граны часто имеют форму цилиндров размером 2 мкм, в которых пигментно-липидные слои чередуются с белковыми слоями. Морфологически тилакоиды не гомогенны. На внутренней поверхности их мембран имеются специфические структурные образования, названные Парком квантосомами.

Хлоропласты – системы, способные к автономному синтезу белков. В них присутствуют низко- и высокомолекулярная РНК, специфическая кольцевая ДНК и ферменты, активирующие аминокислоты. Хлоропласты обладают собственными рибосомами.

Функции хлоропластов:

1) осуществление фотосинтеза (основная функция);

2) в хлоропластах происходит вся сложная цепь процессов превращений первичных продуктов фотосинтеза (наращивание углеродной цепи, образование и распад полимерных форм углеводов и др.);

Биохимические системы синтеза и превращения углеводов функционируют в строме хлоропластов. В ней же может откладываться крахмал. В хлоропластах представлен весь набор биохимических систем, участвующих в синтезе АТФ.

Онтогенез хлоропластов. При нормальном освещении пропластиды пре-вращаются в хлоропласты. Сначала они растут, при этом происходит образование продольно расположенных мембранных складок от внутренней мембраны. Одни из них простираются по всей длине пластиды и формируют ламеллы стромы; другие образуют ламеллы тилакоидов, которые выстраиваются в виде стопки и образуют граны зрелых хлоропластов.

Несколько иначе развитие пластид происходит в темноте. У этиолированных проростков происходит в начале увеличение объема пластид – этиопластов, но система внутренних мембран не строит ламеллярные структуры, а образует массу мелких пузырьков, которые скапливаютсяя в отдельные зоны и даже могут формировать сложные решетчатые структуры (проламеллярные тела). В мембранах этиопластов содержится протохлорофилл, предшественник хлорофилла желтого цвета. Под действие света из этиопластов образуются хлоропласты, протохлорофилл превращается в хлорофилл, происходит синтез новых мембран, фотосинтетических ферментов и компонентов цепи переноса электронов.

 

Источник: helpiks.org

ТЕМА 1.  Особенности строения растительной клетки. Ткани растений.

Вариант 1.

1.   Эта ткань имеет клетки с тонкой оболочкой, плотно прилегающие друг к другу:

А) образовательная  В) покровная  С) основная   Д) механическая   Е) соединительная

2. В верхушке стебля, на кончике корня находится ткань:

А) образовательная  В) покровная  С) основная   Д) механическая   Е) соединительная

3. Клетки этой клетки постоянно делятся:

А) образовательная  В) покровная  С) основная   Д) механическая   Е) соединительная

4. Благодаря этой ткани происходит рост растения:

А) образовательная  В) покровная  С) основная   Д) механическая   Е) соединительная

5. Защищает растение от высыхания, солнечных ожогов, механических повреждений ткань:

А) образовательная  В) покровная  С) основная   Д) механическая   Е) соединительная

6. Кожица, пробка, кора, представляют ткань:

А) образовательная  В) покровная  С) основная   Д) механическая   Е) соединительная

7. Вместо эпидермиса со временем на поверхности стеблей образуется:

А) кожица          В) пробка       С) лист        Д) корень      Е) цветок

8. Многослойная ткань растений, которая состоит из мертвых, плотно прижатых друг к другу клеток:

А) кожица В) пробка  С) образовательная   Д) механическая   Е) основная

9. Утолщение стенки этой ткани непроницаемы для газов, жидкостей, звуков:

А) кожица В) пробка  С) образовательная   Д) механическая   Е) основная

10. Пробка или:

А) кожица    В) эпидермис   С) кора  Д) волокна   Е) нет верного ответа

11. Запасающая и фотосинтезирующая ткань объединяются общим названием:

А) образовательная  В) покровная  С) основная   Д) механическая   Е) соединительная

12. Ткань растений, которая участвует в накоплении питательных веществ:

А) образовательная  В) фотосинтезирующая  С) запасающая  Д) механическая      Е) соединительная

13. Ботанэ – по-гречески означает:

А) крупное дерево   В) трава, растение  С) живое существо Д) наука о природе  Е) биология

14. Белков особенно много в семенах:

А) фасоли  В) льна  С) конопли  Д) хлопчатника  Е) моркови

15. Основной запас углевод у растений – это:

А) клетчатка  В) крахмал  С) фруктоза  Д) сахароза

16. Крахмал в клубнях картофеля запасается в виде:

А) зерен  В) капель  С) раствора  Д) ядрышек  Е) ядер

17. Белок в семенах гороха запасается в виде:

А) зерен  В) капель  С) раствора  Д) ядрышек  Е) ядер

18. Живое содержимое часто отсутствует в клетках тканей:

А) образовательной В) основной  С) механической Д) запасающей  Е) соединительной

19. Клетки образовательной ткани могут быть расположены:

А) на верхушках корней В) на верхушках побегов  С) между корой и древесиной    Д) все ответы верны 

Е) нет правильного ответа

20. Образовательная ткань в корне расположена:

А) на всем его протяжении В) на верхушке  С) у основания Д) в зоне всасывания  Е) все ответы верны

Вариант 2.

1. Формулировка одного из положений клеточной теории:

А) клетки растений отличаются от клеток животных наличием хлоропластов    В) клетка – единица строения, жизнедеятельности и развития организмов     С) клетки прокариот не имеют оформленного ядра Д) вирусы не имеют клеточного строения  Е) вирусы имеют клеточное строение

2. Клетки организмов всех царств живой природы имеют:

А) клеточная стенка    В) ядро     С) комплекс Гольджи    Д) плазматическую мембрану    Е) митохондрии

3. Сходство функций хлоропластов и митохондрий состоит в том, что в них происходит:

А) синтез витаминов В) синтез углеводов  С) окисление органических веществ Д) синтез липидов  Е) синтез молекул АТФ

4. Все органоиды и ядро клетки связаны между собой с помощью:

А) оболочки  В) плазматической мембраны  С) цитоплазмы Д) рибосомы  Е) вакуолей

5. Синтез молекул АТФ происходит:

А)  в митохондриях  В) в рибосомах   С) в аппарате Гольджи Д) в ядре  Е) в лизосомах

6. Клетки прокариотических и эукариотических организмов сходны по:

А) наличию митохондрий  В) наличию рибосом  С) способности к митозу  Д) наличию хлоропластов   Е) наличию ядра

7. Аппарат Гольджи участвует в:

А) Биосинтезе полипептидных цепей В) расщеплении полипептидных цепей  С) синтезе АТФ

 Д) формировании некоторых клеточных органелл    Е) синтезе белков

8. В хлоропластах растительных клеток светособирающие комплексы расположены:   

А) на наружной мембране  В) на внутренней мембране  С) на мембране тилакоидов   Д) в строме  

Е) в межмембранном пространстве

9. Одномембранный органоид клетки:

А) рибосомы   В) лизосомы  С) цитоскелет   Д) митохондрии   Е) хлоропласты

10. В бактериальной клетке отсутствует:

А) пили В) рибосома  С) мезосома   Д) ДНК   Е) хлоропласт

11. Не имеет мембраны:

А) митохондрия   В) клеточный центр  С) лизосома   Д) ядро   Е) аппарат Гольджи

12. Структура управляющая процессами жизнедеятельности в клетках растений, животных, грибов:

 А) цитоплазма  В) митохондрия  С) хлоропласт   Д) ядро   Е) ЭПР

13. Органелла, обеспечивающая быстрое продвижение веществ в клетке, представляет собой:

А) аппарат Гольджи   В) плазматическая мембрана  С) ЭПР   Д) микротрубочки цитоплазмы   Е) клеточный центр

14. Двойная мембрана с порами окружает:

А) вакуоль    В) ядро  С) лизосома   Д) клеточный центр   Е) рибосому

15. Микротрубочки и микрофиламенты составляют:

А) ЭПР   В) клеточную стенку  С) аппарат Гольджи   Д) цитоплазму    Е) цитоскелет

16. Состоит из стопки цистерн и сообщающихся с ними везикул:

 А) хлоропласт   В) вакуоль  С) аппарат Гольджи   Д) лизосома   Е) ядро

17. Органелла, содержащая литические ферменты, предназначенные  для  пещеварения:

А)  аппарат Гольджи  В) пластиды  С) митохондрии   Д) лизосомы   Е) вакуоль

18. Собственным генетическим материалом обладают:

 А) митохондрии   В) пероксиомы  С) сферосомы   Д) микросомы   Е) рибосомы

19. Клеточный центр необходим для:

 А) синтезе белка   В) энергетического обмена   С) деления клетки   Д) образование клеточных мембран  

Е) транспорт веществ

20. Полисомы состоят из:

А) ДНК   В) рРНК  С) тРНК   Д) группы связанных рибосом   Е) ферменты

Вариант 3.

1. Пиноцитоз – это процесс:

А) регуляции поступлении веществ в клетку   В) транспорта аминокислот   С) обмен газами    Д) захвата клеточной мембраной твердых веществ   Е) захвата клеточной мембраной жидких веществ

2. Перенос вещества против градиента концентрации с затратой энергии:

А) осмос   В) активный транспорт   С)  пассивный транспорт    Д) диффузия    Е) облегченная диффузия

3. Целлюлоза содержится в:

А)  в клеточной мембране  В) рибосоме  С) лизосоме Д) клеточной стенке   Е) митохондрии

4. Между клетками осуществляется обмен веществ, цитоплазмы соседних клеток взаимодействуют между собой через споры:

А) цитоплазмы   В) оболочки    С) ядра   Д) вакуолей     Е) пластид

5. Органоиды, характерные только для растений:

А) рибосомы   В) ядрышко    С) митохондрии   Д) ядро     Е) пластиды

6. Пластиды, придающие растениям зеленый цвет и участвующие в образовании органических веществ:

А) хлоропласты   В) хромопласты    С) митохондрии   Д) вакуоль     Е) лейкопласты

7. Содержит клеточный сок:

А) цитоплазма   В) ядро    С) хромопласт   Д) вакуоль     Е) митохондрия

8. Пластиды, придающие лепесткам цветов, созревающим фруктам, ягодам и овощам красный и желтый цвет:

А) хлоропласты   В) хромопласты    С) митохондрии   Д) хлорофилл     Е) лейкопласты

9. Принимает участие в размножении клетки:

А) ядро   В) вакуоль    С) цитоплазма   Д) рибосома     Е) митохондрия

10. Бесцветные пластиды, участвующие в накоплении запасов питания в растениях:

А) хлоропласты   В) хромопласты    С) митохондриии   Д) хлорофилл     Е) лейкопласты

11. Делятся на 3 вида в зависимости от цвета красящих веществ, имеющих в их составе:

А)  рибосомы  В) митохондрии    С) вакуоли   Д) ядрышки     Е) пластиды

12. Полость в цитоплазме, заполненная клеточным соком и ограниченная мембраной:

 А) ядро   В) митохондрия    С) вакуоль   Д) ядрышко     Е) пластида

13. Совокупность клеток, сходных по строению, происхождению и выполняемыми функциями, образует:

А) группу клеток   В) орган    С) мякоть листа   Д) организм     Е) ткань

14. Ткань клетки, которая постоянно делится, обеспечивая рост растения:

А) покровная   В) опорная    С) образовательная   Д) основная     Е) запасающая

15. Ткань, защищающая растение от неблагоприятных условий внешней среды и механических повреждений:

А) покровная   В) механическая    С) запасающая   Д) основная     Е) образовательная

16. Ткань, выполняющая у растений функцию «скелета» опоры:

А) покровная   В) механическая    С) запасающая   Д) основная     Е) образовательная

17. Часть организма, имеющая определенное строение и выполняющая свойственные ей функции:

А)  клетка  В) ткань    С) пластида   Д) ядро     Е) орган

18. Для чего используется увеличительные приборы:

А) для исследования любых объектов   В) для исследования только биологических объектов   

С) для исследования объектов очень маленького размера

19. Какой из микроскопов увеличивает объект в 3600 раз:

А) световой   В) электронный    С) микроскоп А.Левенгука  

20. Какая цифра должна быть на окуляре, чтобы микроскоп, на объективе которого обозначена цифра 15, давал увеличение в 120 раз:

А) 2      В) 8         С) 6          Д) 10        Е) 15

 

 

 

Источник: kopilkaurokov.ru

Типы фотосинтеза

Бесхлорофилльный фотосинтез

Осуществляется археями рода Halobacterium, является наиболее примитивным типом фотосинтеза, кванты света поглощаются белком-бактериородопсином, имеющим сходство с родопсином в виде наличия ретиналя, этот тип фотосинтеза отличается отсутствием электрон-транспортной цепи, синтез АТФ осуществляется через создание электрохимического градиента протонов или ионов хлора при помощи бактериородопсиновой и галородопсиновой ионной помпы.

Хлорофилльный фотосинтез

Аноксигенный

Осуществляется пурпурными и зелёными бактериями, а также геликобактериями.

Оксигенный

Оксигенный фотосинтез распространён гораздо шире. Осуществляется растениями, цианобактериями и прохлорофитами.

Этапы фотосинтеза:

  • фотофизический;
  • фотохимический;
  • химический.

На первом этапе происходит поглощение квантов света пигментами, их переход в возбуждённое состояние и передача энергии к другим молекулам фотосистемы. На втором этапе происходит разделение зарядов в реакционном центре, перенос электронов по фотосинтетической электронотранспортной цепи, что заканчивается синтезом АТФ и НАДФН. Первые два этапа вместе называют светозависимой стадией фотосинтеза. Третий этап происходит уже без обязательного участия света и включает в себя биохимические реакции синтеза органических веществ с использованием энергии, накопленной на светозависимой стадии. Чаще всего в качестве таких реакций рассматривается цикл Кальвина и глюкогенез, образование сахаров и крахмала из углекислого газа воздуха.

Первые процессы фотосинтеза у цианобактерий появились ещё в архейскую эру.

Пространственная локализация

Фотосинтез растений осуществляется в хлоропластах: обособленных двухмембранных органеллах клетки. Хлоропласты могут быть в клетках плодов, стеблей, однако основным органом фотосинтеза, анатомически приспособленным к его ведению, является лист. В листе наиболее богата хлоропластами ткань палисадной паренхимы. У некоторых суккулентов с вырожденными листьями (например, кактусы) основная фотосинтетическая активность связана со стеблем.

Свет для фотосинтеза захватывается более полно благодаря плоской форме листа, обеспечивающей большое отношение поверхности к объёму. Вода доставляется из корня по развитой сети сосудов (жилок листа). Углекислый газ поступает отчасти посредством диффузии через кутикулу и эпидермис, однако большая его часть диффундирует в лист через устьица и по листу по межклеточному пространству. Растения, осуществляющие CAM фотосинтез, сформировали особые механизмы для активной ассимиляции углекислого газа.

Внутреннее пространство хлоропласта заполнено бесцветным содержимым (стромой) и пронизано мембранами (ламеллами), которые соединяясь друг с другом образуют тилакоиды, которые в свою очередь группируются в стопки, называемые граны. Внутритилакоидное пространство отделено и не сообщается с остальной стромой, предполагается также что внутреннее пространство всех тилакоидов сообщается между собой. Световые стадии фотосинтеза приурочены к мембранам, автотрофная фиксация CO2 происходит в строме.

В хлоропластах имеются свои ДНК, РНК, рибосомы (70s типа), идёт синтез белка (хотя этот процесс и контролируется из ядра). Они не синтезируются вновь, а образуются путём деления предшествующих. Всё это позволило считать их потомками свободных цианобактерий, вошедших в состав эукариотической клетки в процессе симбиогенеза.

Цианобактерии, таким образом, как бы сами являются хлоропластом и в их клетке фотосинтетический аппарат не вынесен в особую органеллу. Их тилакоиды, однако, не образуют стопок, а формируют различные складчатые структуры (у единственной цианобактерии Gloeobacter violaceus тилакоиды отсутствуют вовсе, а весь фотосинтетический аппарат находится в цитоплазматической мембране, не образующей впячиваний). У них и растений также есть различия в светособирающем комплексе (см. ниже) и пигментном составе.

Световая (светозависимая) стадия

В ходе световой стадии фотосинтеза образуются высокоэнергетические продукты: АТФ, служащий в клетке источником энергии, и НАДФН, использующийся как восстановитель. В качестве побочного продукта выделяется кислород. В общем, роль световых реакций фотосинтеза заключается в том, что в световую фазу синтезируются молекула АТФ и молекулы-переносчики протонов, то есть НАДФ Н2.

Фотохимическая суть процесса

Хлорофилл имеет два уровня возбуждения (с этим связано наличие двух максимумов на спектре его поглощения): первый связан с переходом на более высокий энергетический уровень электрона системы сопряжённых двойных связей, второй — с возбуждением неспаренных электронов азота и магния порфиринового ядра. При неизменном спине электрона формируются синглетные первое и второе возбуждённое состояние, при изменённом — триплетное первое и второе.

Второе возбуждённое состояние наиболее высокоэнергетично, нестабильно и хлорофилл за 1012 сек переходит с него на первое, с потерей 100 кДж/моль энергии только в виде теплоты. Из первого синглетного и триплетного состояний молекула может переходить в основное с выделением энергии в виде света (флуоресценция и фосфоресценция соответственно) или тепла, с переносом энергии на другую молекулу, либо, поскольку электрон на высоком энергетическом уровне слабо связан с ядром, с переносом электрона на другое соединение.

Первая возможность реализуется в светособирающих комплексах, вторая — в реакционных центрах, где переходящий в возбуждённое состояние под воздействием кванта света хлорофилл становится донором электрона (восстановителем) и передаёт его на первичный акцептор. Чтобы предотвратить возвращение электрона на положительно заряженный хлорофилл, первичный акцептор передаёт его вторичному. Кроме того, время жизни полученных соединений выше, чем у возбуждённой молекулы хлорофилла. Происходит стабилизация энергии и разделения зарядов. Для дальнейшей стабилизации вторичный донор электронов восстанавливает положительно заряженный хлорофилл, первичным донором же является в случае оксигенного фотосинтеза вода.

Проблемой, с которой сталкиваются при этом проводящие оксигенный фотосинтез организмы, является различие окислительно-восстановительных потенциалов воды (для полуреакции H2O → O2 (E0=+0,82 В) и НАДФ+ (E0=-0,32 В). Хлорофилл при этом должен иметь в основном состоянии потенциал больший +0,82 В чтобы окислять воду, но при этом иметь в возбуждённом состоянии потенциал меньший чем −0,32 В чтобы восстанавливать НАДФ+. Одна молекула хлорофилла не может отвечать обоим требованиям. Поэтому сформировались две фотосистемы, и для полного проведения процесса необходимы два кванта света и два хлорофилла разных типов.

Светособирающие комплексы

Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии. Более 90 % всего хлорофилла хлоропластов входит в состав светособирающих комплексов (ССК), выполняющих роль антенны, передающей энергию к реакционному центру фотосистем I или II. Помимо хлорофилла в ССК имеются каротиноиды, а у некоторых водорослей и цианобактерий — фикобилины, роль которых заключается в поглощении света тех длин волн, которые хлорофилл поглощает сравнительно слабо.

Передача энергии идёт резонансным путём (механизм Фёрстера) и занимает для одной пары молекул 10−10—10−12 с, расстояние на которое осуществляется перенос составляет около 1 нм. Передача сопровождается некоторыми потерями энергии (10 % от хлорофилла a к хлорофиллу b, 60 % от каротиноидов к хлорофиллу), из-за чего возможна только от пигмента с максимумом поглощения при меньшей длине волны к пигменту с большей. Именно в таком порядке взаимно локализуются пигменты ССК, причём наиболее длинноволновые хлорофиллы находятся в реакционных центрах. Обратный переход энергии невозможен.

ССК растений расположен в мембранах тилакоидов, у цианобактерий основная его часть вынесена за пределы мембран в прикреплённые к ним фикобилисомы — палочковидные полипептидно-пигментные комплексы, в которых находятся различные фикобилины: на периферии фикоэритрины (с максимумом поглощения при 495—565 нм), за ними фикоцианины (550—615 нм) и аллофикоцианины (610—670 нм), последовательно передающие энергию на хлорофилл a (680—700 нм) реакционного центра.

Основные компоненты электронтранспортной цепи

Фотосистема II

Фотосистема — совокупность ССК, фотохимического реакционного центра и переносчиков электрона. Светособирающий комплекс II содержит 200 молекул хлорофилла a, 100 молекул хлорофилла b, 50 молекул каротиноидов и 2 молекулы феофитина. Реакционный центр фотосистемы II представляет собой пигмент-белковый комплекс, расположенный в тилакоидных мембранах и окружённый ССК. В нём находится димер хлорофилла a с максимумом поглощения при 680 нм (П680). На него в конечном счёте передаётся энергия кванта света из ССК, в результате чего один из электронов переходит на более высокое энергетическое состояние, связь его с ядром ослабляется и возбуждённая молекула П680 становится сильным восстановителем (E0=-0,7 В).

П680 восстанавливает феофитин, в дальнейшем электрон переносится на хиноны, входящие в состав ФС II и далее на пластохиноны, транспортируемые в восстановленной форме к b6f комплексу. Одна молекула пластохинона переносит 2 электрона и 2 протона, которые берутся из стромы.

Заполнение электронной вакансии в молекуле П680 происходит за счёт воды. В состав ФС II входит водоокисляющий комплекс, содержащий в активном центре ионы марганца в количестве 4 штук. Для образования одной молекулы кислорода требуется две молекулы воды, дающие 4 электрона. Поэтому процесс проводится в 4 такта и для его полного осуществления требуется 4 кванта света. Комплекс находится со стороны внутритилакоидного пространства и полученные 4 протона выбрасываются в него.

Таким образом, суммарный результат работы ФС II — это окисление 2 молекул воды с помощью 4 квантов света с образованием 4 протонов во внутритилакоидном пространстве и 2 восстановленных пластохинонов в мембране.

b6f или b/f-комплекс

b6f комплекс является насосом, перекачивающим протоны из стромы во внутритилакоидное пространство и создающий градиент их концентрации за счёт выделяющейся в окислительно-восстановительных реакциях электронтранспортной цепи энергии. 2 пластохинона дают перекачку 4 протонов. В дальнейшем трансмембранный протонный градиент (pH стромы около 8, внутритилакоидного пространства — 5) используется для синтеза АТФ трансмембранным ферментом АТФ-синтазой.

Фотосистема I

Светособирающий комплекс I содержит примерно 200 молекул хлорофилла.

В реакционном центре первой фотосистемы находится димер хлорофилла a с максимумом поглощения при 700 нм (П700). После возбуждения квантом света он восстанавливает первичный акцептор — хлорофилл a, тот — вторичный (витамин K1 или филлохинон), после чего электрон передаётся на ферредоксин, который и восстанавливает НАДФ с помощью фермента ферредоксин-НАДФ-редуктазы.

Белок пластоцианин, восстановленный в b6f комплексе, транспортируется к реакционному центру первой фотосистемы со стороны внутритилакоидного пространства и передаёт электрон на окисленный П700.

Циклический и псевдоциклический транспорт электрона

Помимо полного нециклического пути электрона, описанного выше, обнаружены циклический и псевдоциклический.

Суть циклического пути заключается в том, что ферредоксин вместо НАДФ восстанавливает пластохинон, который переносит его назад на b6f комплекс. В результате образуется больший протонный градиент и больше АТФ, но не возникает НАДФН.

При псевдоциклическом пути ферредоксин восстанавливает кислород, который в дальнейшем превращается в воду и может быть использован в фотосистеме II. При этом также не образуется НАДФН.

Темновая стадия

В темновой стадии с участием АТФ и НАДФН происходит восстановление CO2 до глюкозы (C6H12O6). Хотя свет не требуется для осуществления данного процесса, он участвует в его регуляции.

С3-фотосинтез, цикл Кальвина

Цикл Кальвина или восстановительный пентозофосфатный цикл состоит из трёх стадий:

  • карбоксилирования;
  • восстановления;
  • регенерация акцептора CO2.

На первой стадии к рибулозо-1,5-бифосфату присоединяется CO2 под действием фермента рибулозобисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа. Этот белок составляет основную фракцию белков хлоропласта и предположительно наиболее распространённый фермент в природе. В результате образуется промежуточное неустойчивое соединение, распадающееся на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (ФГК).

Во второй стадии ФГК в два этапа восстанавливается. Сначала она фосфорилируется АТФ под действием фосфороглицерокиназы с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (ДФГК), затем при воздействии триозофосфатдегидрогеназы и НАДФН ацил-фосфатная группа ДФГК дефосфорилируется и восстанавливается до альдегидной и образуется глицеральдегид-3-фосфат — фосфорилированный углевод (ФГА).

В третьей стадии участвуют 5 молекул ФГА, которые через образование 4-, 5-, 6- и 7-углеродных соединений объединяются в 3 5-углеродных рибулозо-1,5-бифосфата, для чего необходимы 3АТФ.

Наконец, две ФГА необходимы для синтеза глюкозы. Для образования одной её молекулы требуется 6 оборотов цикла, 6 CO2, 12 НАДФН и 18 АТФ.

С4-фотосинтез

При низкой концентрации растворённого в строме CO2 рибулозобифосфаткарбоксилаза катализирует реакцию окисления рибулозо-1,5-бифосфата и его распад на 3-фосфоглицериновую кислоту и фосфогликолевую кислоту, которая вынужденно используется в процессе фотодыхания.

Для увеличения концентрации CO2 растения С4 типа изменили анатомию листа. Цикл Кальвина у них локализуется в клетках обкладки проводящего пучка, в клетках мезофилла же под действием ФЕП-карбоксилазы фосфоенолпируват карбоксилируется с образованием щавелеуксусной кислоты, которая превращается в малат или аспартат и транспортируется в клетки обкладки, где декарбоксилируется с образованием пирувата, возвращаемого в клетки мезофилла.

С4 фотосинтез практически не сопровождается потерями рибулозо-1,5-бифосфата из цикла Кальвина, поэтому более эффективен. Однако он требует не 18, а 30 АТФ на синтез 1 молекулы глюкозы. Это оправдывает себя в тропиках, где жаркий климат требует держать устьица закрытыми, что препятствует поступлению CO2 в лист, а также при рудеральной жизненной стратегии.

САМ фотосинтез

При CAM (англ. Crassulaceae acid metabolism — кислотный метаболизм толстянковых) фотосинтезе происходит разделение ассимиляции CO2 и цикла Кальвина не в пространстве как у С4, а во времени. Ночью в вакуолях клеток по аналогичному вышеописанному механизму при открытых устьицах накапливается малат, днём при закрытых устьицах идёт цикл Кальвина. Этот механизм позволяет максимально экономить воду, однако уступает в эффективности и С4, и С3. Он оправдан при стресстолерантной жизненной стратегии.

Значение фотосинтеза

Фотосинтез является основным источником биологической энергии, фотосинтезирующие автотрофы используют её для синтеза органических веществ из неорганических, гетеротрофы существуют за счёт энергии, запасённой автотрофами в виде химических связей, высвобождая её в процессах дыхания и брожения. Энергия, получаемая человечеством при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф), также является запасённой в процессе фотосинтеза.

Фотосинтез является главным входом неорганического углерода в биологический цикл. Весь свободный кислород атмосферы — биогенного происхождения и является побочным продуктом фотосинтеза. Формирование окислительной атмосферы (кислородная катастрофа) полностью изменило состояние земной поверхности, сделало возможным появление дыхания, а в дальнейшем, после образования озонового слоя, позволило жизни выйти на сушу.

История изучения фотосинтеза

Первые опыты по фотосинтезу были проведены Джозефом Пристли в 1770—1780-х годах, когда он обратил внимание на «порчу» воздуха в герметичном сосуде горящей свечой (воздух переставал быть способен поддерживать горение, помещённые в него животные задыхались) и «исправление» его растениями. Пристли сделал вывод, что растения выделяют кислород, который необходим для дыхания и горения, однако не заметил, что для этого растениям нужен свет. Это показал вскоре Ян Ингенхауз.

Позже было установлено, что помимо выделения кислорода растения поглощают углекислый газ и при участии воды синтезируют на свету органическое вещество. В 1842 Роберт Майер на основании закона сохранения энергии постулировал, что растения преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей. В 1877 В. Пфеффер назвал этот процесс фотосинтезом.

Хлорофиллы были впервые выделены в 1818 П. Ж. Пельтье и Ж. Кавенту. Разделить пигменты и изучить их по отдельности удалось М. С. Цвету с помощью созданного им метода хроматографии. Спектры поглощения хлорофилла были изучены К. А. Тимирязевым, он же, развивая положения Майера, показал, что именно поглощенные лучи позволяют повысить энергию системы, создав вместо слабых связей С-О и О-Н высокоэнергетические С-С (до этого считалось что в фотосинтезе используются жёлтые лучи, не поглощаемые пигментами листа). Сделано это было благодаря созданному им методу учёта фотосинтеза по поглощённому CO2: в ходе экспериментов по освещению растения светом разных длин волн (разного цвета) оказалось, что интенсивность фотосинтеза совпадает со спектром поглощения хлорофилла.

Окислительно-восстановительную сущность фотосинтеза (как оксигенного, так и аноксигенного) постулировал Корнелис ван Ниль. Это означало, что кислород в фотосинтезе образуется полностью из воды, что экспериментально подтвердил в 1941 А. П. Виноградов в опытах с изотопной меткой. В 1937 г. Роберт Хилл установил, что процесс окисления воды (и выделения кислорода), а также ассимиляции CO2 можно разобщить. В 1954—1958 Д. Арнон установил механизм световых стадий фотосинтеза, а сущность процесса ассимиляции CO2 была раскрыта Мельвином Кальвином с использованием изотопов углерода в конце 1940-х, за эту работу в 1961 ему была присуждена Нобелевская премия.

В 1955 году был выделен и очищен фермент рибулозобисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа. С4 фотосинтез был описан Ю. С. Карпиловым в 1960 и М. Д. Хэтчем и К. Р. Слэком в 1966.

Прочие факты

  • Морской слизень Elysia chlorotica ассимилирует хлоропласты водоросли Vaucheria litorea в клетки пищеварительного тракта. Хлоропласты способны фотосинтезировать в организме слизня в течение нескольких месяцев, что позволяет слизню жить за счет глюкозы, полученной в результате фотосинтеза. Геном слизня кодирует некоторые белки, необходимые хлоропластам для фотосинтеза.[1]
  • Предполагается, что в естественной среде фотосинтезирующие бактерии могут использовать не только свет Солнца, но и другие источники света, а потому могут находиться в местах, не подвергающихся облучению звезды[2] В 2005 году Томас Битти из университета Британской Колумбии и Роберт Блейкеншип из университета Аризоны в глубоководных пробах, взятых в окрестностях глубоководного термального источника у побережья Коста Рики обнаружили серобактерию GSB1, сходную с серобактериями родов Chlorobium и Prosthecochloris, содержащую бактериохлорофилл. Они предположили, что вероятность контаминации образца невелика и, следовательно, GSB1 использует для фотосинтеза не солнечный свет (который не проникает сквозь 2,4-километровую толщу моря), а тусклый длинноволновый (~750 нм) свет, испускаемый гидротермальными источниками[2].
  • По состоянию на конец 70-х годов XX века, мощность солнечной энергии, перерабатываемой земной растительностью при фотосинтезе, всего лишь на порядок превосходила мощность всех электростанций в мире.[3]

См. также

  • Фотохимические реакции
  • Хемосинтез
  • Углекислый газ в атмосфере Земли
  • Искусственный фотосинтез

Литература

  • Холл Д., Рао К. Фотосинтез: Пер. с англ. — М.: Мир, 1983.
  • Физиология растений / под ред. проф. Ермакова И. П. — М.: Академия, 2007
  • Молекулярная биология клетки / Альбертис Б., Брей Д. и др. В 3 тт. — М.: Мир, 1994
  • Рубин А. Б. Биофизика. В 2 тт. — М.: Изд. Московского университета и Наука, 2004.
  • Чернавская Н. М., Чернавский Д. С. Туннельный транспорт электронов в фотосинтезе. М., 1977.
  • В. Любименко. Влияние света на усвоение органических веществ зелёными растениями // Известия Императорской Академии наук. VI серия. — 1907. — № 12. — С. 395—426, с 6 табл.
  • Медведев С. С. Физиология растений — СПб,: СПбГУ, 2004

Источник: dic.academic.ru