в клетках каких организмов происходит фотолиз воды
Принципы и особенности фотолиза воды
Что такое фотодиссоциация или фотолиз воды
Фотолиз воды — распад водных молекул из-за воздействия солнечного света (фотонов) при фотосинтезе.
Он является частью процесса фотосинтеза в растениях и способствует выделению большого количества кислорода в атмосферу.
Фотодиссоциация может протекать и вне видимого света, если фотон обладает достаточной энергией (выше солнечной — ультрафиолетовые лучи, рентгеновские или гамма-лучи).
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Фотолиз возникает из-за воздействия светового фотона на воду.
Последовательность фотосинтеза воды
Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой. Фотолиз осуществляется в рамках световой фазы.
Световая фаза фотосинтеза
В листьях растений содержатся хлоропласты, полные особых пигментов:
На количество хлорофилла влияет концентрация тяжелых металлов (например, меди, цинка, марганца) и количество углерода в листьях растений.
Фотолиз происходит только в 1% молекул хлорофилла. Все другие собирают свет, объединяясь и становясь антенными комплексами. Собирая свет, молекулы хлорофилла приходят в возбуждение. Оно передается в реакционные центры. В центрах есть две фотосистемы. В каждой из них — особые молекулы хлорофилла (в первой P680, а во второй P700). Они принимают световые кванты конкретной длины — 680 и 700 нм. При этом каждая система выделяет один электрон на более высокий уровень.
Первая фотосистема способствует восстановлению количества электронов при посредстве переносчиков из второй системы. А вторая система забирает у воды электрон, тем самым давая начало ее фотолизу (распаду\расщеплению) на ионы водорода и кислород. Кислорода выделяется очень много. Он является побочным продуктом, высвобождается в атмосферу. Водород остается и накапливается в мембране, чтобы продолжить участвовать в дальнейших реакциях уже в темновой фазе.
Основные этапы фотосинтеза воды:
Темновая фаза фотосинтеза
Она проходит после фотолиза и уже без участия света. В этот период восстанавливается глюкоза (благодаря растворенному в воде углекислому газу, НАДФ и АТФ) — цикл Кальвина (процесс открыл ученый по фамилии Кальвин).
Здесь участвует запасенная в предыдущей фазе энергия.
Место проведения реакций темновой фазы — строма хлоропластов. Углерод поступает туда через устьица.
Фотолиз, проходящий в световой фазе, готовит все необходимые вещества для будущей реализации темновой фазы.
Избыток глюкозы при его возникновении будет отложен в виде крахмала (запасное питательное вещество для всего растения).
Также на этом этапе образуются нуклеотиды, спирты, аминокислоты.
Химические основы фотолиза воды
Хлорофилл своим химическим составом напоминает гемоглобин крови. Это обусловлено наличием порфиринового кольца с магнием в центре.
Фотосинтез с химической точки зрения — это процесс восстановления углерода с помощью энергии солнца. В животных организмах она появляется вследствие метаболизма углеводов (их животные получают с растительной пищей). Углеводы проходят через окисление.
По степени способности к гидролизу углеводы делят на несколько групп:
В результате второй фазы фотосинтеза образуется моносахарид — глюкоза и полисахарид — крахмал.
Что участвует в реакции, формула
В реакции участвует вода и электрон.
Электроны (e) пополняют затраченный при фотосинтезе запас хлорофилла.
Побочным продуктом данной реакции выступает кислород ( \(O_2\) ).
Что выделяется при фотолизе
Выделяется большое количество свободного кислорода в атмосферу. А также ионы водорода, которые накапливаются в избытке на мембране, создавая световые запасы для темновой фазы фотосинтеза.
Именно благодаря реакции фотолиза воды может образовывать много кислорода, который дает возможность жить всему живому на земле.
Что такое фотосинтез и почему он так важен для нашей планеты
Фотосинтез — один из самых важных биологических процессов на Земле. Благодаря фотосинтезу живые организмы получают кислород, необходимый для дыхания, а сами растения создают полезные органические вещества для своей жизнедеятельности. В этой статье мы поговорим о том, что обозначает фотосинтез, как он происходит и что образуется в процессе фотосинтеза.
Что такое фотосинтез
Фотосинтез — процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза.
Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты, — преимущественно, в листе, на который приходится большая часть процессов фотосинтеза. Такая ткань называется хлоренхима, или мезофилл.
Строение хлоропластов
Чтобы понять, что происходит в растении при фотосинтезе, изучим подробнее хлоропласты. Хлоропласты — это особые пластиды растительных клеток, в которых происходит фотосинтез. Основные элементы структурной организации хлоропластов высших растений представлены на рис.1.
Хлоропласт — это двумембранный органоид. Внешняя мембрана проницаема для большинства органических и неорганических соединений. Она содержит специальные транспортные белки, благодаря которым нужные для работы хлоропласта пептиды и другие вещества попадают в него из цитоплазмы. Внутренняя мембрана обладает избирательной проницаемостью и способна контролировать, какие именно вещества попадут во внутреннее пространство хлоропласта.
Для хлоропластов характерна сложная система внутренних мембран, позволяющая пространственно организовать фотосинтетический аппарат, упорядочить и разделить реакции фотосинтеза, несовместимые между собой, и их продукты. Мембраны образуют тилакоиды, которые, в свою очередь, собираются в «стопки» — граны. Пространство внутри тилакоидов называется внутритилакоидным пространством, или люменом.
Внутреннее пространство хлоропласта между гранами заполняет строма — гидрофильный слабоструктурированный матрикс. В строме содержатся необходимые для реакций синтеза сахаров ферменты, а также рибосомы, кольцевая молекула ДНК, крахмальные зёрна.
Пигменты хлоропластов
Что происходит во время фотосинтеза? На молекулярном уровне фотосинтез обеспечивают особые вещества — пигменты, благодаря которым энергия солнечного света становится доступной для биологических систем. У фотосинтезирующих организмов можно выделить три основные группы пигментов:
В хлоропластах пигменты ассоциированы с белками с помощью ионных, водородных и других типов связей. Не стоит забывать, что у растений есть множество других пигментов, находящихся не в хлоропластах и не принимающих участие в фотосинтезе — например, антоцианы.
Хлорофилл
Хлорофиллы выполняют функции поглощения, преобразования и транспорта энергии света. Лучше всего хлорофиллы поглощают свет в синей (430—460 нм) и красной (650—700 нм) областях спектра. Зелёную область спектра хлорофиллы эффективно отражают, что придаёт растению зелёный цвет.
Интересно, что строение молекулы хлорофилла схоже со строением гемоглобина, но центром молекулы хлорофилла является ион магния, а не железа.
Основными хлорофиллами высших растений являются хлорофилл a и хлорофилл b, они входят в состав реакционных центров фотосистем и светособирающих комплексов мембран тилакоидов хлоропластов. Светособирающие комплексы улавливают кванты света и передают энергию к фотосистемам I и II. Фотосистемы — это пигмент-белковые комплексы, играющие ключевую роль в световой фазе фотосинтеза.
Каротиноиды
Каротиноиды — это жёлтые, оранжевые или красные пигменты. В зелёных листьях каротиноиды обычно незаметны из-за наличия в листьях хлорофилла. При разрушении хлорофилла осенью именно каротиноиды придают листьям характерную жёлто-оранжевую окраску.
Каротиноиды химически представляют собой 40-углеродную цепь с двумя углеродными кольцами по краям цепи. В строении ксантофиллов, в отличие от каротинов, присутствуют спиртовые, эфирные или альдегидные группы.
Учите биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду BIO72021 вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 7 класса, в котором изучается тема фотосинтеза.
Что происходит в процессе фотосинтеза
Как уже было сказано ранее, в ходе фотосинтеза в хлоропластах под действием солнечного света образуются органические вещества.
Процесс фотосинтеза можно разделить на две фазы:
В ходе световой фазы фотосинтеза образуется энергия в виде АТФ и универсальный донор атома водорода — восстановитель НАДФН (НАДФ·Н2). Эти вещества необходимы для протекания темновой фазы. Также образуется побочный продукт — кислород. Световая фаза может проходить только на мембранах тилакоидов и на свету.
Благодаря сложному биохимическому процессу — циклу Кальвина — в темновую фазу фотосинтеза образуются органические вещества (сахара). Темновая фаза проходит в строме хлоропластов и на свету, и в темноте. Темновые ферментативные процессы протекают медленнее, чем световые, поэтому при очень ярком освещении скорость протекания фотосинтеза будет полностью определяться скоростью темновой фазы. Схемы процессов фотосинтеза представлены на рис.2. Подробное описание процессов смотри далее.
Световая фаза фотосинтеза
Чтобы лучше понять, что происходит во время фотосинтеза, разберём фазы фотосинтеза. Световая фаза фотосинтеза включает в себя фотохимические и фотофизические процессы, и может быть поделена на три этапа:
Для того чтобы понять, что происходит во время фазы фотосинтеза, рассмотрим эти процессы подробнее. Кванты света улавливаются светособирающими комплексами фотосистемы I — молекула хлорофилла в составе светособирающего комплекса переходит в возбуждённое состояние, и энергия передаётся в реакционный центр фотосистемы I. Происходит возбуждение молекул хлорофилла фотосистемы I, отщепляется электрон. Пройдя по цепочке внутренних компонентов фотосистемы I и внешних переносчиков, электрон в конце концов попадает к НАДФ+ — образуется восстановитель НАДФН. Получается, что хлорофилл фотосистемы I отдал электрон и приобрёл положительный заряд, и для дальнейшего функционирования необходимо восстановить нейтральность молекулы, получить электрон, чтобы закрыть «дырку». Этот электрон приходит от фотосистемы II.
На светособирающие комплексы фотосистемы II попадают кванты света — происходит возбуждение молекулы хлорофилла фотосистемы II, молекула хлорофилла отдаёт электрон и переходит в окисленное состояние. Нехватку электрона хлорофилл восполняет благодаря фотолизу воды, при этом образуется протоны H+, а также важный побочный продукт фотосинтеза — кислород. По цепи переносчиков электрон от хлорофилла фотосистемы II попадает к хлорофиллу реакционного центра фотосистемы I и восстанавливает его. Теперь этот хлорофилл может снова поглощать энергию кванта света и отдавать электрон в электрон-транспортную цепь.
Протоны, попадающие во внутритилакоидное пространство, используются для синтеза АТФ. С помощью фермента АТФ-синтазы за счёт градиента протонов образуется АТФ из АДФ и фосфата. Под градиентом понимают неравномерное распределение: во внутритилакоидном пространстве H+ больше, в строме — меньше. Поэтому частицы стремятся проникнуть в строму, переходят в неё через АТФ-синтазу, а в процессе пути сквозь белковый комплекс отдают ему часть энергии, которая и используется для синтеза АТФ.
Темновая фаза фотосинтеза
Что образуется при фотосинтезе в темновую фазу? В строме хлоропластов с помощью энергии АТФ и восстановителя НАДФН, полученных в световую фазу, образуются простые сахара, из которых в ходе других процессов образуется крахмал. Ферментативные процессы не нуждаются в наличии света. Важнейший процесс, происходящий в темновую фазу фотосинтеза, — фиксация углекислого газа воздуха. Синтез и превращения сахаров в хлоропластах имеют циклический характер и носят название цикл Кальвина.
В нём можно выделить три этапа:
В строме хлоропластов находится производное простого пятиуглеродного сахара рибозы. С помощью особого фермента (Рубиско) к производному рибозы присоединяется CO2 (реакция карбоксилирования) — образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое быстро распадается на две трехуглеродные молекулы. Дальше, с затратой АТФ и НАДФН, полученных в ходе световых процессов, трехуглеродное соединение модифицируется — образуется восстановленное соединение с атомом фосфора и альдегидной группой в составе. Теперь перед клеткой стоит проблема: необходимо получить шестиуглеродное соединение — глюкозу для синтеза крахмала, а также пятиуглеродное — производное рибозы для того, чтобы эти процессы могли начаться заново. Для решения этих проблем в фазу регенерации из полученных ранее трехуглеродных соединений под действием ферментов образуются четырёх-, пяти-, шести- и семиуглеродные сахара. Из шестиуглеродной молекулы образуется глюкоза, из которой синтезируется крахмал. Из пятиуглеродной молекулы образуется производное рибозы и цикл замыкается. Остальные сахара также используются клеткой в других биохимических процессах.
Отдельно стоит сказать про крайне важный фермент первой фазы цикла Кальвина — рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазу (Рубиско). Это сложный фермент, состоящий из 16 субъединиц, с молекулярной массой в 8 раз больше, чем у гемоглобина. Является одним из важнейших ферментов в природе, поскольку играет центральную роль в основном механизме поступления неорганического углерода (из CO2) в биологический круговорот. Содержание Рубиско в листьях растений очень велико, он считается самым распространённым ферментом на Земле.
Значение фотосинтеза
В процессе фотосинтеза энергия света заключается в энергию химических связей органических веществ. Поэтому фотосинтез служит первичным источником почти всей энергии, используемой живыми организмами в процессе жизнедеятельности. Практически все живые организмы, за исключением хемосинтетиков, так или иначе пользуются теми продуктами, что выделяются при фотосинтезе.
За счёт фотосинтеза сформировалась и поддерживается пригодная для дыхания атмосфера с высоким содержанием кислорода.
Фиксация углекислого газа в ходе фотосинтеза служит главным местом входа неорганического углерода в биогеохимический цикл. Также ассимиляция CO2 препятствует перегреву Земли, предотвращая парниковый эффект.
Заключение
Каждый год на нашей планете благодаря фотосинтезу производится около 200 миллиардов тонн кислорода, из которого образуется озоновый слой, защищающий от ультрафиолетовой радиации. Фотосинтез помогает поддерживать состав атмосферы и препятствует увеличению количества углекислого газа. Без растений и кислорода, который они выделяют в процессе фотосинтеза, жизнь на нашей планете была бы просто невозможна.
Фотосинтез
Типы питания
Фотосинтез
Ниже вы увидите сравнение строения хлорофилла и гемоглобина. Обратите внимание, что в центре молекулы хлорофилла находится ион Mg.
В высшей степени гениально значение процесса фотосинтеза подчеркнул русский ученый К.А. Тимирязев: «Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического»
Более подробно мы обсудим значение фотосинтеза в завершение этой статьи. Фотосинтез состоит из двух фаз: светозависимой (световой) и светонезависимой (темновой). Я рекомендую использовать названия светозависимая и светонезависимая, так как они способствуют более глубокому (и правильному!) пониманию фотосинтеза.
Светозависимая фаза (световая)
Эта фаза происходит только на свету на мембранах тилакоидов в хлоропластах. В ней принимают участие различные ферменты, белки-переносчики, молекулы АТФ-синтетазы и зеленый пигмент хлорофилл.
Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии. При воздействии кванта света хлорофилл теряет электрон, переходя в возбужденное состояние. С помощью переносчиков электроны скапливаются с наружной поверхности мембраны тилакоидов, тем временем внутри тилакоида происходит фотолиз воды (разложение под действием света):
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).
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:
Кислород удаляется из клетки как побочный продукт фотосинтеза, он совершенно не нужен растению. АТФ и НАДФ∗H2 в дальнейшем оказываются более полезны: они транспортируются в строму хлоропласта и принимают участие в светонезависимой фазе фотосинтеза.
Светонезависимая (темновая) фаза
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.
Значение фотосинтеза
Значение фотосинтеза невозможно переоценить. Уверенно утверждаю: именно благодаря этому процессу жизнь на Земле приобрела такие чудесные и изумительные формы, какие мы видим вокруг себя: удивительные растения, прекрасные цветы и самые разнообразные животные.
Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским в 1888 году. Большинство хемосинтезирующих бактерий относится к аэробам, для жизни им необходим кислород.
Значение хемосинтеза
Хемосинтезирующие бактерии являются неотъемлемым звеном круговорота в природе таких элементов как: азот, сера, железо.
Усвоение нитратов происходит за счет клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений, однако важно помнить, что клубеньковые (азотфиксирующие) бактерии, в отличие от нитрифицирующих бактерий, питаются гетеротрофно.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Фотолиз воды при фотосинтезе
Вы будете перенаправлены на Автор24
Фотолиз воды – это процесс распада молекулы воды в световой фазе фотосинтеза.
Фотолиз воды
Фотосинтез – это процесс синтеза органических веществ из неорганических с использованием энергии солнечного света.
Первые опыты по установлению физиологических основ фотосинтеза проводились Дж. Пристли в 18 веке. Он обратил внимание на порчу воздуха внутри герметичного сосуда с горящей свечой. При этом воздух терял способность поддерживать горение, а животные, помещенные в него, очень быстро задыхались. Такую ситуацию были способны исправить растения. Ученый пришел к выводу о том, что именно они формируют кислород, поддерживающий процесс дыхания и горения.
Фототрофы – это организмы, которые способны к фотосинтезу.
Также в природе существуют такие организмы, как хемотрофы, которые тоже могут образовывать органическое вещество, но при этом источником энергии для осуществления данного процесса будут выступать химические связи, а не кислород.
Большинство растений являются именно автотрофами, поскольку в их клетках содержаться различные фотосинтетические пигменты.
Химические основы фотолиза воды
Все фотосинтетические пигменты делятся на:
Пигменты поглощают свет и преобразуют его из солнечной энергии в химическую. Пигменты локализованы в мембранах хлоропластов.
Хлорофилл содержится внутри хлоропластов на мембранах тилакоидов. Растение имеет зеленую окраску именно благодаря хлорофиллу. По своему химическому строению хлорофилл достаточно близок к гемоглобину крови. Его основой также является порфириновое кольцо, в центре которого находится магний. Хлорофилл может поглощать энергию солнечного света при этом переходя в возбужденное состояние.
Готовые работы на аналогичную тему
Хлорофилл a представляет собой единственный пигмент, который имеет центральное значение в фотосинтезе.
Процесс фотосинтеза включает в себя две фазы:
Световая фаза фотосинтеза базируется на том, что в хлоропластах содержится большое количество молекул хлорофилла. Но при этом процесс происходит в 1 % молекулы хлорофилла. Другие молекулы образуют антенные светособирающие комплексы. Они поглощают кванты света и передают возбуждение в реакционные центры. Такие центры представлены в фотосистеме I и фотосистеме II. В них имеются особые молекулы хлорофилла: соответственно, в фотосистеме II — P680, а в фотосистеме I — P700. Они поглощают свет именно такой длины волны (680 и 700 нм). Молекулы хлорофилла обеих фотосистем поглощают кванты света. При этом один электрон каждой из фотосистем переходит на более высокий энергетический уровень.
В возбужденном состоянии все электроны обладают очень высокой степенью энергии. Они отрываются и транслируются в особенную сеть переносчиков на мембраны тилакоидов. При этом молекулы НАДФ+, превращая их в восстановленный НАДФ. Этот процесс заключается в преобразовании энергии света в энергию восстановленного переносчика. На месте молекул хлорофилла при этом образуется пространство с положительным зарядом.
Роль фотосистемы I заключается в восполнении потери электронов через систему переносчиков электронов фотосистемы II. Фотосистема II, в свою очередь забирает электрон у воды, запуская ее фотолиз.
Фотолиз воды – это процесс распада молекулы воды, который происходит под действием солнечного света. При этом в атмосферу выделяется большое количество кислорода, который рассеивается в ней.
Протоны водорода, которые образуются при фотолизе воды переносятся в полость тилакоида. Там накапливается достаточно большой избыток ионов водорода, что приводит к созданию на мембране тилакоида крутого градиента концентрации накопленных ионов. Он используется ферментом АТФ-синтетазой для синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Также происходит перенос ионов водорода сквозь мембрану с образованием НАДФ*Н.
Таким образом, энергия света запасается именно в световой фазе в виде восстановленного переносчика НАДФ*Н и макроэргического соединения АТФ. Роль световой фазы фотосинтеза можно выразить в следующих тенденциях:
Темновая фаза характеризуется участием АТФ и НАДФ, при этом происходит процесс восстановления глюкозы. Для этого процесса не требуется свет, но он участвует в регуляции этапов. Поскольку растение поглощает углекислый газ из атмосферы, то устьица покровной ткани открываются, и он свободно поступает внутрь листа. Кислород растворяется в воде и восстанавливается до глюкозы при участии НАДФ и АТФ.
Если формируется избыток глюкозы, то он откладывается в виде запасного – питательного вещества – крахмала. В виде этого сложного углевода накапливается энергия. Только небольшая часть этих молекул остается в листе и обслуживает его нужды. Остальные углеводы по проводящей ткани растения (ситовидным трубкам) путешествуют по растительному организму.
Таким образом, фотосинтез является основным источников кислорода на земле. Именно реакция фотолиза воды дает возможность образовываться большому количеству кислорода, который обеспечивает жизнедеятельность всех живых организмов. До появления фотосинтетических организмов такого газа на Земле не существовало.