Метаболизм Подготовка к ЕГЭ

ОГЭ, ЕГЭ

МЕТАБОЛИЗМ (КАТАБОЛИЗМ И АНАБОЛИЗМ)

Учитель биологии Моисеенко Зоя Александровна Брянская область, Погарский район

МЕТАБОЛИЗМ

• Анаболизм и катаболизм – это основные метаболические процессы.
• Катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен) – это ферментативное расщепление сложных органических соединений, осуществляющееся внутри клетки за счет реакций окисления. Катаболизм сопровождается выделением энергии и запасанием ее в макроэргических фосфатных связях АТФ.
• Анаболизм (ассимиляция, пластический обмен) – это синтез сложных органических соединений – белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов – из простых предшественников, поступающих в клетку из окружающей среды или образующихся в процессе катаболизма. Процессы синтеза связаны с потреблением свободной энергии, которая поставляется АТФ

КАТАБОЛИЗМ

• В зависимости от биохимии процесса диссимиляции (катаболизма) различают дыхание и брожение .
• Дыхание – это сложный процесс биологического окисления различных соединений, сопряженный с образованием большого количества энергии, аккумулируемой в виде макроэргических связей в структуре АТФ (аденозинтрифосфат) и образованием углекислого газа и воды. Различают аэробное и анаэробное дыхание.
• Брожение – неполный распад органических соединений с образованием незначительного количества энергии и продуктов, богатых энергией.

АНАБОЛИЗМ

• Анаболизм включает процессы синтеза , при которых используется энергия, вырабатываемая в процессе катаболизма. В живой клетке одновременно и непрерывно протекают процессы катаболизма и анаболизма. Многие реакции и промежуточные продукты являются для них общими.
• Живые организмы классифицируют в соответствии с тем, какой источник энергии или углерода они используют. Углерод – основной элемент живой материи. В конструктивном метаболизме ему принадлежит ведущая роль.
• В зависимости от источника клеточного углерода все организмы, включая прокариотные, делят на автотрофы и гетеротрофы .

• Автотрофы используют CO 2 в качестве единственного источника углерода, восстанавливая его водородом, который отщепляется от воды или другого вещества. Органические вещества они синтезируют из простых неорганических соединений в процессе фото- или хемосинтеза.
• Гетеротрофы получают углерод из органических соединений.

СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ МЕТАБОЛИЗМА

Часть

Характеристика

Катаболизм (энергетический обмен, диссимиляция)

Примеры

Совокупность химических реакций, приводящих к образованию простых веществ из более сложных

Анаболизм (пластический обмен, ассимиляция)

Затраты энергии

Гидролиз полимеров до мономеров и расщепление последних до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака и других веществ

Совокупность химических реакций синтеза сложных веществ из более простых

Энергия выделяется

Образование углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции матричного синтеза

Энергия поглощается

РОЛЬ АТФ В МЕТАБОЛИЗМЕ

• Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме аденозинтрифосфата ( АТФ ).

АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) — мононуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями. По химической природе АТФ относится к мононуклеотидам.

• В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве: АТФ + H 2 O → АДФ + H 3 PO 4 + Q 1 АДФ + H 2 O → АМФ + H 3 PO 4 + Q 2 АМФ + H 2 O → аденин + рибоза + H 3 PO 4 + Q 3 ,

где АТФ — аденозинтрифосфорная кислота; АДФ — аденозиндифосфорная кислота; АМФ — аденозинмонофосфорная кислота; Q 1 = Q 2 = 30,6 кДж; Q 3 = 13,8 кДж.

Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования.

Фосфорилирование — присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ (АДФ + Ф → АТФ). Он происходит с разной интенсивностью при дыхании, брожении и фотосинтезе.

• АТФ обновляется чрезвычайно быстро (у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин).
• Энергия, накопленная в молекулах АТФ, используется организмом в анаболических реакциях (реакциях биосинтеза).
• Молекула АТФ является универсальным хранителем и переносчиком энергии для всех живых существ.

ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН – СОВОКУПНОСТЬ РЕАКЦИЙ СИНТЕЗА ОРГАНИЧЕСКИЙ ВЕЩЕСТВ

Вид пластического обмена

Материал

Фотосинтез (синтез глюкозы)

Неорганические в-ва (СО2 и Н2О)

Источник энергии

Хемосинтез (синтез глюкозы)

Биосинтез белков, НК, углеводов, липидов и др.

Царства

Свет

Неорганические в-ва (СО2 и Н2О)

Органические в-ва

Растения

Окисление неорганических в-в

Некоторые бактерии

Распад и окисление органических в-в

Все

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН

• Энергию, необходимую для жизнедеятельности, большинство организмов получают в результате процессов окисления органических веществ, то есть в результате катаболических реакций . Важнейшим соединением, выступающим в роли топлива, является глюкоза .
• По отношению к свободному кислороду организмы делятся на три группы.

КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЗМОВ ПО ОТНОШЕНИЮ К СВОБОДНОМУ КИСЛОРОДУ

Группа

Характеристика

Аэробы (облигатные аэробы)

Организмы

Организмы, способные жить только в кислородной среде

Анаэробы (облигатные анаэробы)

Организмы, неспособные жить в кислородной среде

Животные, растения, некоторые бактерии и грибы

Факультативные формы (факультативные анаэробы)

Некоторые бактерии

Организмы, способные жить как в присутствии кислорода, так и без него

Некоторые бактерии и грибы

У облигатных аэробов и факультативных анаэробов в присутствии кислорода катаболизм протекает в три этапа:

• Подготовительный
• Бескислородный
• Кислородный

В результате органические вещества распадаются до неорганических соединений.

У облигатных анаэробов и факультативных анаэробов при недостатке кислорода катаболизм протекает в два первых этапа:

• Подготовительный
• Бескислородный

ЭТАПЫ КАТАБОЛИЗМА

• Первый этап — подготовительный — заключается в ферментативном расщеплении сложных органических соединений на более простые.
• Белки расщепляются до аминокислот, жиры — до глицерина и жирных кислот, полисахариды — до моносахаридов, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов.
• У многоклеточных организмов это происходит в желудочно-кишечном тракте, у одноклеточных — в лизосомах под действием гидролитических ферментов.
• Высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде теплоты. Образовавшиеся органические соединения либо подвергаются дальнейшему окислению, либо используются клеткой для синтеза собственных органических соединений.

ЭТАПЫ КАТАБОЛИЗМА

• Второй этап — неполное окисление (бескислородный) — заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, осуществляется в цитоплазме клетки без участия кислорода .
• Главным источником энергии в клетке является глюкоза .
• Бескислородное, неполное окисление глюкозы называется гликолизом .
• В результате гликолиза одной молекулы глюкозы образуется по две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК, пируват) C 3 H 4 O 3, , АТФ и воды, а также атомы водорода , которые связываются молекулой-переносчиком НАД + и запасаются в виде НАД· Н .

НАД+ и НАД-Н

• НикотинамидАденинДинуклеотид ( НАД ) — кофермент, имеющийся во всех живых клетках - динуклеотид и состоит из двух нуклеотидов, соединённых своими фосфатными группами.
• В метаболизме НАД задействован в окислительно-восстановительных реакциях, перенося электроны из одной реакции в другую .
• В клетках НАД находится в двух функциональных состояниях: его окисленная форма, НАД + , является окислителем и забирает электроны от другой молекулы, восстанавливаясь в НАД-Н, который далее служит восстановителем и отдаёт электроны. Такие реакции, сопряжённые с переносом электронов, являются основной сферой действия НАД.

НАДФ

• НикотинамидАденинДинуклеотидФосфат ( НАДФ ) — широко распространённый в природе кофермент некоторых дегидрогеназ  — ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции в живых клетках.
• НАДФ принимает на себя водород и электроны окисляемого соединения и передаёт их на другие вещества.
• В хлоропластах растительных клеток НАДФ восстанавливается при световых реакциях фотосинтеза и затем обеспечивает водородом синтез углеводов при темновых реакциях .
• НАДФ , — кофермент, отличающийся от НАД содержанием ещё одного остатка фосфорной кислоты, присоединённого к гидроксилу одного из остатков рибозы, обнаружен во всех типах клеток.

• Суммарная формула гликолиза имеет следующий вид: C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2АДФ + 2НАД+ → 2C 3 Н 4 O 3 + 2H 2 O + 2АТФ + 2НАД· Н

• Далее при отсутствии в среде кислорода продукты гликолиза (ПВК и НАД· Н) перерабатываются либо в этиловый спирт — спиртовое брожение (в клетках дрожжей и растений при недостатке кислорода) CH 3 COCOOH → СО 2 + СН 3 СОН (уксусный альдегид) СН 3 СОН + 2НАД· Н → С 2 Н 5 ОН (этанол) + 2НАД + , либо в молочную кислоту — молочнокислое брожение (в клетках животных при недостатке кислорода) CH 3 COCOOH + 2НАД·Н → C 3 Н 6 O 3 + 2НАД + . При наличии в среде кислорода продукты гликолиза претерпевают дальнейшее расщепление до конечных продуктов.

ЭТАПЫ КАТАБОЛИЗМА

• Третий этап — полное окисление (дыхание) — заключается в окислении ПВК до углекислого газа и воды , осуществляется в митохондриях при обязательном участии кислорода .
• Он состоит из трёх стадий: А.образование ацетилкоэнзима А; Б. окисление ацетилкоэнзима А в цикле Кребса; В. окислительное фосфорилирование в электронотранспортной цепи.

• А. На первой стадии ПВК переносится из цитоплазмы в митохондрии, где взаимодействует с ферментами матрикса и образует:
• диоксид углерода, который выводится из клетки;
• атомы водорода, которые молекулами-переносчиками доставляются к внутренней мембране митохондрии;
• ацетилкофермент А (ацетил-КоА)

Б. На второй стадии происходит окисление ацетилкоэнзима А в цикле Кребса.

Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты) — это цепь последовательных реакций, в ходе которых из одной молекулы ацетил-КоА образуются :

• две молекулы диоксида углерода,
• молекула АТФ
• четыре пары атомов водорода, передаваемые на молекулы-переносчики — НАД и ФАД ( ФлавинАденинДинуклеотид)

Таким образом, в результате гликолиза и цикла Кребса молекула глюкозы расщепляется до СО 2 , а высвободившаяся при этом энергия расходуется на синтез 4 АТФ и накапливается в 10 НАД· Н и 4 ФАД· Н 2 .

• В. На третьей стадии атомы водорода с НАД· Н и ФАД· Н 2 окисляются молекулярным кислородом О 2 с образованием воды.
• Один НАД· Н способен образовывать 3 АТФ, а один ФАД· Н 2 – 2 АТФ. Таким образом, выделяющаяся при этом энергия запасается в виде ещё 34 АТФ .

Этот процесс протекает следующим образом:

• Атомы водорода концентрируются около наружной стороны внутренней мембраны митохондрии
• Они теряют электроны, которые по цепи молекул-переносчиков ( цитохромов ) электронотранспортной цепи ( ЭТЦ ) переносятся на внутреннюю сторону внутренней мембраны, где соединяются с молекулами кислорода: О 2 + е - → О 2 - .

• В результате деятельности ферментов цепи переноса электронов внутренняя мембрана митохондрий изнутри заряжается отрицательно (за счёт О 2 - ), а снаружи — положительно (за счёт Н + ), так что между её поверхностями создаётся разность потенциалов.
• Во внутреннюю мембрану митохондрий встроены молекулы фермента АТФ- синтетазы , обладающие ионным каналом. Когда разность потенциалов на мембране достигает критического уровня, положительно заряженные частицы H + силой электрического поля начинают проталкиваться через канал АТФазы и, оказавшись на внутренней поверхности мембраны, взаимодействуют с кислородом, образуя воду: 1/2О 2 - +2H + → Н 2 О.

• Энергия ионов водорода H + , транспортирующихся через ионный канал внутренней мембраны митохондрии, используется для фосфорилирования АДФ в АТФ: АДФ + Ф → АТФ.
• Такое образование АТФ в митохондриях при участии кислорода называется окислительным фосфорилированием .

• Суммарное уравнение расщепления глюкозы в процессе клеточного дыхания: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 38H 3 PO 4 + 38АДФ → 6CO 2 + 44H 2 O + 38АТФ.

Таким образом,

• в ходе гликолиза образуются 2 молекулы АТФ,
• в ходе клеточного дыхания — ещё 36 молекул АТФ ,
• в целом при полном окислении глюкозы — 38 молекул АТФ .

ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН

Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи . Гетеротрофная ассимиляция сводится, по существу, к перестройке молекул: органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) → простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) → макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

Автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды. В процессе фото- и хемосинтеза происходит образование простых органических соединений, из которых в дальнейшем синтезируются макромолекулы: неорганические вещества (СО 2 , Н 2 О) → простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) → макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

ФОТОСИНТЕЗ

• Фотосинтез — важнейший процесс, лежащий в основе возникновения и существования подавляющего большинства организмов на Земле.
• Фотосинтез — это процесс образования органических соединений из диоксида углерода ( CO 2) и воды ( H 2 O ) с использованием энергии света.

К. А. Тимирязев (1843–1920) назвал роль фотосинтеза « космическои ̆», поскольку он связывает Землю с Солнцем (космосом), обеспечивая приток энергии на планету.

• Фотосинтез может осуществляться только с помощью определенных веществ — пигментов .
• Фотосинтетические пигменты высших растений делятся на две группы: хлорофиллы и каротиноиды .
• Хлорофилл локализован в мембранах тилакоидов хлоропластов . В хлоропласте содержится около 400 молекул хлорофилла.
• Хлоропласты обычно располагаются в клетке так, чтобы их мембраны находились под прямым углом к источнику света, что гарантирует максимальное поглощение света (они могут перемещаться в клетке, в зависимости от того, как падает свет).

Фотосинтез

• Главным органом фотосинтеза является лист, в клетках которого имеются специализированные органоиды – хлоропласты

Листовая мозаика

• Листья имеет форму пластинки, что позволяет им ориентироваться в плоскости практически не затеняя друг друга, образуя листовую мозаику

Строение листа

Хлоропласты

Строение хлоропласта

Хлоропласт – органоид двояковыпуклой формы, что обеспечивает лучшее поглощение света

Строение молекул хлорофилла и гемоглобина

Фотосинтез

Хлорофилл поглощает красную (680 нм) и синюю (450 нм) части спектра. Зеленый цвет они отражают и поэтому придают растениям зеленую окраску

ФОТОСИНТЕЗ

• Образование богатых энергией органических веществ из бедных энергией неорганических веществ за счёт энергии солнечного света.
• Суммарное уравнение:

6 СО 2 +6Н 2 О + энергия света = С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О

• Происходит в клетках растений (хлоропласты) и некоторых бактерий (цианобактерии)
• При участии хлорофилла – органическое вещество, зелёный пигмент.
• Проходит в две фазы – световую и темновую .

Световая фаза:

• Пигменты растений, участвующие в фотосинтезе, "упакованы" в мембранах тилакоидов  в виде функциональных единиц, называемых фотосистемами

Фотосистемы:

• Основными ловцами световых частиц являются две формы хлорофилла: П 700 и П 680 (П – пигмент, 700 и 680 – максимум поглощения света в нм). Другие пигменты выполняют вспомогательную роль

Фотосистемы:

внутри тилакоида

фотосистема I

фотосистема II

цитохром

снаружи тилакоида

Световая фаза фотосинтеза

• .1. Молекула хлорофилла фотосистемы I поглощает квант света и переходит в возбужденное состояние. При этом электрон выбивается из молекулы хлорофилла
• 2. Богатый энергией электрон, поступает в особую цепь переносчиков и передаются на наружную поверхность мембраны тилакоидов, где накапливаются и мембрана заряжается отрицательно
• 3. Квант красного света, поглощенный хлорофиллом П 680 фотосистемы ІІ , переводит электрон в возбужденное состояние и выбивает его из молекулы
• 4. Электрон захватывается акцепторами переносчиками, перемещаясь от одного акцептора к другому, он теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ
• 5.Электрон поступает в фотосистему I и восстанавливает молекулу П 700 . При этом молекула П 70О  возвращается в исходное состояние и становится вновь способной поглощать свет.

6. Молекула хлорофилла П 680 фотосистемы II восстанавливает свой электрон за счет фотолиза воды, т.е. расщепление воды под действием энергии света на Н + + ОН -

Световая фаза:

АТФ

Световая фаза:

Н 2 О

= Н + + ОН -

Н +

Н +

Н +

АТФ

Н + + е Н 0

НАДФ + 2Н = НАДФ ·Н 2

Световая фаза:

Н 2 О

НАДФ

• Следовательно, на свету электроны перемещаются от воды к фотосистемам II и I, и затем к НАДФ – нециклический поток электронов

H +  + OH — Ионы гидроксильной группы отдают свои электроны, превращаясь в радикалы: ОН - - е = ОН. Этот электрон закрывает «дыру» в молекуле хлорофилла фотосистемы II. . Молекула хлорофилла П 680 фотосистемы II восстанавливает свой электрон за счет фотолиза воды, т.е. расщепление воды под действием энергии света на Н + + ОН - 4ОН = 2Н 2 О +О 2 Гидроксид-ионы отдают лишний электрон, превращаясь в реакционно способные радикалы OH , которые собираются вместе и образуют молекулу воды и свободный кислород (это побочный продукт, который в дальнейшем удаляется в ходе газообмена). 4OH -- 2H 2 O + O 2 ↑ Образовавшиеся при фотолизе воды протоны (H + ) скапливаются с внутренней стороны мембраны тилакоидов, а электроны - с внешней. В результате по обе стороны мембраны накапливаются противоположные заряды. При достижении критической разницы, часть протонов проталкивается на внешнюю сторону мембраны через канал АТФ-синтетазы. В результате этого выделяется энергия, которая может быть использована для фосфорилирования молекул АДФ Таким образом, в результате переноса электронов и протонов через мембрану происходит превращение световой энергии в химическую энергию связей молекул АТФ – фотофосфорилирование " width="640"

7. фотолиз воды (разложение под действием света):

• H 2 O -- H +  + OH —
• Ионы гидроксильной группы отдают свои электроны, превращаясь в радикалы:
• ОН - - е = ОН. Этот электрон закрывает «дыру» в молекуле хлорофилла фотосистемы II. . Молекула хлорофилла П 680 фотосистемы II восстанавливает свой электрон за счет фотолиза воды, т.е. расщепление воды под действием энергии света на Н + + ОН -
• 4ОН = 2Н 2 О +О 2

Гидроксид-ионы отдают лишний электрон, превращаясь в реакционно способные радикалы OH , которые собираются вместе и образуют молекулу воды и свободный кислород (это побочный продукт, который в дальнейшем удаляется в ходе газообмена).

• 4OH -- 2H 2 O + O 2 ↑
• Образовавшиеся при фотолизе воды протоны (H + ) скапливаются с внутренней стороны мембраны тилакоидов, а электроны - с внешней. В результате по обе стороны мембраны накапливаются противоположные заряды.
• При достижении критической разницы, часть протонов проталкивается на внешнюю сторону мембраны через канал АТФ-синтетазы. В результате этого выделяется энергия, которая может быть использована для фосфорилирования молекул АДФ
• Таким образом, в результате переноса электронов и протонов через мембрану происходит превращение световой энергии в химическую энергию связей молекул АТФ – фотофосфорилирование

8. Протоны водорода на наружной стороне мембраны присоединяют электроны молекулы хлорофилла, образуя атомарный водород, который используется для восстановления молекулы-переносчика НАДФ ( никотинамиддинуклеотидфосфат)

Благодаря этому окисленная форма - НАДФ+ превращается в восстановленную - НАДФ∗H2.

НАДФ+ +2Н+4е=НАДФ*Н2

с помощью переносчика НАДФ атомарный водород (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) поступает в строму хлоропласта на синтез глюкозы.

Н + + е Н 0

2Н + НАДФ = НАДФ ·Н 2

Световая фаза:

внутри тилакоида

снаружи тилакоида

Световая фаза:

3. Квант красного света, поглощенный хлорофиллом П 680 фотосистемы ІІ , переводит электрон в возбужденное состояние и выбивает его из молекулы

4. Электрон захватывается акцепторами переносчиками, перемещаясь от одного акцептора к другому, он теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ

Световая фаза:

АТФ

Световая фаза:

5. Электрон поступает в фотосистему I и восстанавливает молекулу П 700 . При этом молекула П 70О  возвращается в исходное

состояние и становится вновь способной поглощать свет

6. Молекула хлорофилла П 680 фотосистемы II восстанавливает свой электрон за счет фотолиза воды, т.е. расщепление воды под действием энергии света на Н + + ОН -

Световая фаза:

Н 2 О

НАДФ

• Следовательно, на свету электроны перемещаются от воды к фотосистемам II и I, и затем к НАДФ – нециклический поток электронов

Световая фаза:

Н 2 О

= Н + + ОН -

Н +

Н +

Н +

АТФ

Н + + е Н 0

НАДФ + 2Н = НАДФ ·Н 2

Световая фаза фотосинтеза растений включает в себя нециклическое фосфорилирование и фотолиз воды .   

На фотосинтетических мембранах гран хлоропластов происходят следующие процессы:

• возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;
• восстановление акцепторов электронов — НАДФ + до НАДФ⋅ Н 2 ;
• фотолиз воды, происходящий при участии квантов света:

           2H 2 O → 4H + + 4e −+ O 2

Результатами световых реакций являются:

• фотолиз воды с образованием свободного кислорода;
• синтез АТФ ;
• восстановление НАДФ + до НАДФ⋅ Н .

Световая фаза:

Н 2 О

НАДФ

• Следовательно, на свету электроны перемещаются от воды к фотосистемам II и I, и затем к НАДФ – нециклический поток электронов

Световая фаза:

Ионы гидроксильной группы отдают свои электроны, превращаясь в радикалы:

ОН - е ОН. Этот электрон закрывает «дыру» в молекуле хлорофилла фотосистемы II. 4ОН 2Н 2 О +О 2

• Таким образом, в результате переноса электронов и протонов через мембрану происходит превращение световой энергии в химическую энергию связей молекул АТФ – фотофосфорилирование

Световая фаза:

9. Катионы водорода на наружной стороне мембраны присоединяют электроны молекулы хлорофилла, образуя атомарный водород, который с помощью переносчика НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) поступает в строму хлоропласта на синтез глюкозы

Н + + е Н 0

2Н + НАДФ = НАДФ ·Н 2

Световая фаза фотосинтеза растений включает в себя нециклическое фосфорилирование и фотолиз воды .   

На фотосинтетических мембранах гран хлоропластов происходят следующие процессы:

• возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;
• восстановление акцепторов электронов — НАДФ + до НАДФ⋅ Н 2 ;
• фотолиз воды, происходящий при участии квантов света:

           2H 2 O → 4H + + 4e −+ O 2

Результатами световых реакций являются:

• фотолиз воды с образованием свободного кислорода;
• синтез АТФ ;
• восстановление НАДФ + до НАДФ⋅ Н .

СВЕТОВАЯ ФАЗА (ТОЛЬКО НА СВЕТУ)

Где : в тилакоидах хлороплстов

Последовательность процессов:

• Электроны хлорофилла поглощают свет, приобретают избыток энергии (возбуждается, переходят на более высокий энергетический уровень) и покидает молекулу хлорофилла (выходят на мембрану)
• Хлорофилл отнимает электроны от воды, происходит фотолиз воды – распад её на протоны, электроны и атомы кислорода.
• Электроны движутся по ЭТЦ (электрон-транспортной цепи) внутренней мембраны, при этом выделяется энергия, которая затрачивается на синтез АТФ.
• Протоны соединяются с электронами, «выбитыми» из хлорофилла с образованием атомарного водорода в виде НАДФ-Н2
• Из атомов кислорода образуется молекулярный кислород

Итог: под действием света образуются:

• О 2 – выделяется в атмосферу (побочный продукт)
• АТФ-источник энергии для синтеза глюкозы (преобразованная энергия света)
• НАДФ-Н 2 – источник водорода (от воды) для восстановления СО 2

• Светонезависимая (темновая) фаза
• Светонезависимая фаза происходит в строме (матриксе) хлоропласта постоянно: и днем, и ночью - вне зависимости от освещения.
• При участии АТФ и НАДФ∗H 2  происходит восстановление CO 2  до глюкозы C 6 H 12 O 6 . В светонезависимой фазе происходит цикл Кальвина, в ходе которого и образуется глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы требуется 6 молекул CO 2 , 12 НАДФ∗H 2  и 18 АТФ.

Светонезависимая (темновая) фаза

Светонезависимая фаза происходит в строме (матриксе) хлоропласта постоянно: и днем, и ночью - вне зависимости от освещения.

При участии АТФ и НАДФ∗H2 происходит восстановление CO2 до глюкозы C6H12O6. В светонезависимой фазе происходит цикл Кальвина, в ходе которого и образуется глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы требуется 6 молекул CO2, 12 НАДФ∗H2 и 18 АТФ.

Таким образом , в результате темновой (светонезависимой) фазы фотосинтеза образуется глюкоза, которая в дальнейшем может быть преобразована в крахмал, служащий для запасания питательных веществ у растений.

ТЕМНОВАЯ ФАЗА (И НА СВЕТУ, И В ТЕМНОТЕ)

Где : в строме хлоропласта (матриксе)

Последовательность процессов:

• Фиксация углекислого газа (присоединение СО 2 к пентозе) и восстановление полученных веществ с участием НАДФН 2 и АТФ.
• Синтез глюкозы из полученных продуктов.

Итог : синтез глюкозы за счёт восстановления СО 2 водородом, который образовался в световую фазу при расщеплении молекулы воды (фотолоизе), с использованием энергии АТФ, запасённой в световую фазу.

Цикл Кальвина:

Темновая фаза:

Значение фотосинтеза для окружающего мира

Рост растений

• Избыток глюкозы запасается в виде крахмала. Именно в виде этих органических веществ растение накапливает энергию. Только небольшая их часть остается в листе и используется для его нужд. Остальные же углеводы путешествуют по ситовидным трубкам флоэмы по всему растению и поступают именно туда, где больше всего нужна энергия, например, в точки роста.

Источник органики

• Фотосинтез является основным источником органического вещества на Земле, то есть обеспечивает живые организмы питанием и, как следствие, энергией. Часть органики, накопленная с помощью фотосинтеза, будет участвовать в процессе нефтеобразования.

Источник кислорода и озона

• Фотосинтез служит источником кислорода, составляющего 20 % атмосферы Земли. Весь атмосферный кислород образовался в результате фотосинтеза. Из кислорода в верхних слоях атмосферы образуется озон, который защищает всё живое на Земле от губительного действия УФ-лучей.

Что влияет на скорость фотосинтеза?

Скорость фотосинтеза неодинакова и меняется в зависимости от условий окружающей среды

• Длина волны

Наиболее интенсивно процесс протекает под действием волн сине- фиолетовой и красной частей спектра. Также зависит от степени освещенности. До определённого значения изменения прямо пропорциональны, далее зависимость от интенсивности света теряется.

• Вода

Важнейший фактор, переоценить значение которого трудно из-за участия воды во многих других процессах.

• Температура

Все реакции фотосинтеза катализируются ферментами, для которых оптимальная температура составляет 25-30 градусов по Цельсию.

• Углекислый газ

Чем выше концентрация углекислого газа, тем интенсивнее идёт процесс фотосинтеза. Обычно недостаток CO 2 - главный ограничивающий фактор. (В теплице скорость фотосинтеза выше)

СРАВНЕНИЕ СВЕТОВОЙ И ТЕМНОВОЙ ФАЗ ФОТОСИНТЕЗА

  Критерии сравнения

  Световая фаза

Солнечный свет

Место протекание реакций

Темная фаза  

  Обязателен

Зависимость от источника энергии

  Граны хлоропласта

  Необязателен

  Строма (матрикс) хлоропласта

Зависит от солнечного света

Исходные вещества

  Зависит от АТФ и НАДФ•Н 2 , образованных в световой фазе и от количества СО 2 из атмосферы

Хлорофилл, белки-переносчики электронов,

Суть фазы

АТФ-синтетаза

  Углекислый газ

(что образуется)

  Выделяется свободный О 2 , образуется АТФ и НАДФ•Н 2

  Образование природного сахара (глюкозы) и поглощение СО 2 из атмосферы

Как происходит преобразование энергии солнечного света в световой и темновой фазах фотосинтеза в энергию химических связей глюкозы? Ответ поясните.

Ответ

1) В световой фазе фотосинтеза энергия солнечного света преобразуется в энергию возбужденных электронов, а затем энергия возбужденных электронов преобразуется в энергию АТФ и НАДФ-Н2.

2) В темновой фазе фотосинтеза энергия АТФ и НАДФ-Н2 преобразуется в энергию химических связей глюкозы.

3) Поскольку КПД фотосинтеза не 100%, на всех этапах часть энергии теряется в виде тепла.

Найдите три ошибки в приведённом тексте. Укажите номера предложений, в которых они допущены, объясните их. (1) Клетки зелёных растений, используя энергию солнечного света, способны синтезировать органические вещества. (2) Исходными веществами для фотосинтеза служат углекислый газ и азот атмосферы. (3) Процесс фотосинтеза как в прокариотических, так и в эукариотических клетках происходит в хлоропластах. (4) В световой стадии фотосинтеза происходит синтез АТФ и разложение воды — фотолиз. (5) В темновой стадии фотосинтеза образуются глюкоза и кислород. (6) Энергия АТФ, запасённая в световой стадии, расходуется на синтез углеводов.

Ответ

2) Атмосферный азот не участвует в процессах фотосинтеза. 3) Только цианобактерии способны к фотосинтезу, остальные прокариоты к нему не способны. (ИЛИ: У фотосинтезирующих цианобактерий в клетках отсутствуют хлоропласты. Остальные прокариоты не фотосинтезируют.) 5) В темновой фазе фотосинтеза кислород не образуется. Этот газ образуется в световой фазе .

Какую роль играют электроны молекул хлорофилла в фотосинтезе?

Ответ

Электроны хлорофилла, возбужденные солнечным светом, проходят по электронотранспортным цепям и отдают свою энергию на образование АТФ и НАДФ-Н2.

Плоды садовой земляники, созревшие в солнечную и пасмурную погоду, отличаются по вкусу. В чем заключается это отличие? Как вы можете объяснить возникновение таких отличий?

Ответ

1) плоды садовой земляники, созревшие в солнечную погоду, гораздо слаще, чем плоды, созревшие в пасмурную;

2) в солнечную погоду повышается интенсивность фотосинтеза, а тем самым синтез углеводов (глюкозы), имеющих сладкий вкус.

  На листьях водных растений видны скопления мелких пузырьков газа. Укажите, какой это газ, в результате какого процесса он образуется и из какого вещества.

Ответ

1) это кислород; 2) он образовался из воды в процессе световой фазы фотосинтеза

Скорость фотосинтеза зависит от лимитирующих (ограничивающих) факторов, среди которых выделяют свет, концентрацию углекислого газа, температуру. Почему эти факторы являются лимитирующими для реакций фотосинтеза?

Ответ

Свет необходим для возбуждения хлорофилла, он поставляет энергию для процесса фотосинтеза. Углекислый газ необходим в темновой фазе фотосинтеза, из него синтезируется глюкоза. Изменение температуры ведет к денатурации ферментов, реакции фотосинтеза замедляются.

Цикл Кальвина (темновая фаза)

ХЕМОСИНТЕЗ