03. Биосинтез углеводов. ­Фотосинтез

Введение

На прошлом уроке мы узнали, что биополимерные молекулы белка образуются из готовых мономеров – аминокислот, находящихся в клетке. Процесс происходит с участием внутренней энергии клетки в виде молекулы АТФ. Биосинтез углеводов происходит по-другому: в клетках растений мономеры-моносахариды образуются из неорганических веществ, углекислого газа и воды, за счет энергии солнечного света.

Фотосинтез

Фотосинтез – процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии солнечного света. В результате образуется глюкоза, которая используется для синтеза полисахаридов и других органических соединений в клетке. Этот процесс сложный, происходит в клетках зеленых растений, водорослей (рис. 1), реализуется с помощью пигментов хлорофилла и других.

У высших растений хлорофилл находится в хлоропластах, основной орган фотосинтеза – лист (рис. 2).

Хлоропласты – это внутриклеточные органоиды, пластиды, окрашены в зеленый цвет благодаря хлорофиллу (рис. 3).

Строение хлоропластов

Хлоропласты отделены от цитоплазмы двойной мембранойс избирательной проницаемостью, внутреннее пространство заполнено бесцветной стромой (рис. 4).

В строме хлоропласта обнаруживаются кольцевые молекулы ДНК, молекулы РНК, рибосомы, белок. В ней происходит первичное отложение крахмала, запасного полисахарида, в виде крахмальных зерен. Внутренняя мембрана врастает внутрь стромы и образует мешковидные уплощенные структуры – тилакоиды (рис. 5). 

На мембранах тилакоида располагаются молекулы хлорофилла, а также другие вспомогательные пигменты, каротиноиды. Тилакоиды находятся друг над другом, собраны в пачки, похожие на стопки монет, которые называются гранами. Граны соединены одиночными пластинчатыми тилакоидами – ламеллами (рис. 6).

Стадии фотосинтеза

Существуют две стадии фотосинтеза – световая и темновая.

Механизм световой стадии фотосинтеза заключается в том, что квант красного света поглощенный хлорофиллом, переводит электрон в возбужденное состояние, этот электрон приобретает большой запас энергии и перемещается на более высокий энергетический уровень, перемещаясь с одной ступени на другую, электрон теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ. Место вышедших электронов молекулы хлорофилла занимают молекулы воды. Вода под воздействием света подвергается фотолизу (расщепление воды) в полости тилакоида (рис. 7). Кислород выделяется как  побочный эффект фотолиза воды, удаляется из клетки или расходуется в процессах дыхания. Световая стадия происходит в тилакоидах с участием света. Энергия, образованная на этой стадии, в виде молекул АТФ используется в темновой стадии фотосинтеза.

На второй, темновой, стадии фотосинтеза используются продукты, образовавшиеся в результате световых реакций. С помощью них углекислый газ преобразуется в простые углеводы – моносахариды. Они образуются из-за большого количества реакций за счет энергии АТФ. В результате получаются молекулы глюкозы, а из них полисахариды – крахмал (рис. 8). Темновая реакция происходит в строме хлоропластов без участия света.

Под действием солнечного света, шести молекул углекислого газа, шести молекул воды образуются одна молекула глюкозы и шесть молекул кислорода (рис. 9).

Скорость фотосинтеза зависит от внешних факторов, таких как свет, температура и концентрация углекислого газа, при наилучших параметрах фотосинтез усиливается.

1–1 ,5% энергии солнца, получаемые зелеными растениями, запасаются в виде органических молекул.

Польза фотосинтеза

Фотосинтезирующие организмы дают пищу гетеротрофам и кислород, необходимый для дыхания всем живым существам. Примерно 21 % кислорода в атмосфере Земли является продуктом фотосинтеза.

Фотосинтез – процесс создания зелеными клетками растения органических веществ из неорганических на суше и в воде. Каждый год растения фиксируют примерно 1,7 млрд тонн углерода, образуя 150 млрд тонн органического вещества, и выделяют 200 млрд тонн кислорода. Также фотосинтез – единственный процесс на Земле, в ходе которого энергия солнечного света превращается в энергию химических связей органических соединений. Солнечный свет накапливается растениями в виде белков, углеводов и жиров, обеспечивая питанием все живые организмы.

Слова Климента Аркадиевича Тимирязева (рис. 10), естествоиспытателя, специалиста по физиологии растений о роли зеленых растений: «Когда-то, где-то на Землю упал луч солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез. Он только затратился на внутреннюю работу, он рассек, разорвал связь между частицами углерода и кислорода, соединенными в углекислоте. Освобожденный углерод, соединяясь с водой, образовал крахмал. Этот крахмал, превратясь в растворимый сахар, после долгих странствований по растению отложился, наконец, в зерне в виде крахмала же или в виде клейковины. В той или другой форме он вошел в состав хлеба, который послужил нам пищей. Он преобразился в наши мускулы, в наши нервы. И вот теперь атомы углерода стремятся в наших организмах вновь соединиться с кислородом, который кровь разносит во все концы нашего тела. При этом луч солнца, таившийся в них в виде химического напряжения, вновь принимает форму явной силы. Этот луч солнца согревает нас. Он приводит нас в движение. Быть может, в эту минуту он играет в нашем мозгу».

Заключение

На этом уроке мы рассмотрели фотосинтез, стадии фотосинтеза и его пользу для нашей планеты и населяющих ее организмов.

Список литературы

1. Мамонтов С.Г., Захаров В.Б. Биология. Общие закономерности. 9 класс. – М.: 2011. – 278 с. 

2. Ефимова Т.М. и др. Основы общей биологии. 9 класс/ под ред. Андреевой Н.Д., Трайтака Д.И. – 5-е изд., перераб. – М.: 2012. – 303 с.

3. Вахрушев А.А., Бурский О.В., Раутиан А.С. и др. Биология. 9 класс. (Порядок в живой природе). – М.: 2012. – 352 с. 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-сайт studall.org (Источник)

2. Интернет-сайт biolicey2vrn.ru (Источник)

3. Интернет-сайт biology-online.ru (Источник)

Домашнее задание

1. Как называют совокупность реакций синтеза органических веществ из неорганических с использованием энергии света?

2. Сколько стадией имеет фотосинтез?

3. На какой стадии фотосинтеза образуется свободный кислород?

4. В какой части хлоропласта находится пигмент хлорофилл?