Конспект занятия Автотрофное питание. Фотосинтез. Хемосинтез

Автотрофы могут сами синтезировать необходимые им органические вещества, получая из окружающей среды углерод в виде углекислого газа, воду и минеральные вещества.

Все автотрофы делятся на: фотосинтезирующие автотрофы и хемосинтезирующие автотрофы.

У фотосинтезирующих автотрофов источником энергии служит солнечный свет.

Хемосинтезирующие автотрофы получают энергию при окислении неорганических соединений.

Фотосинтез — это процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ на свету фотоавтотрофами при участии фотосинтетических пигментов.

Фотосинтезирующими органоидами зелёных растений являются хлоропласты. Структурной и функциональной единицей хлоропластов являются тилакоиды – плоские мембранные мешочки, уложенные в стопки (граны).

Внутреннее пространство тилакоида называется люменом.

Пространство между оболочкой хлоропласта и тилакоидами называется стромой.

Мембрана тилакоида собственно и является тем местом, где протекают светозависимые реакции фотосинтеза при участии хлорофилла.

Аналогично митохондриальной электроннотранспортной цепи, цепь переноса электронов фотосинтеза состоит из многих белковых комплексов и молекул перенощиков. 

В цепи перенощиков выделяют следующие комплексы: фотосистему 2, цитохром Б шесть ЭФ -комплекс, фотосистему 1, фермент редоксин НАДФ редуктазу и АТФ-синтазу.

Фотосинтез происходит в две фазы – световую и темновую.

В световую фазу протекают реакции, которым необходим солнечный свет, в частности фотоны света. Поэтому эти реакции ещё называют светозависимыми реакциями фотосинтеза.

В темновую фазу фатоны светы не нужны. Однако эти реакции протекают как в светлое, так и в тёмное время суток.

Процесс фотосинтеза начинается с того что квант света ударяет молекулу хлорофилла (а II), которая находиться в фотосистеме 2. 

Существует несколько видов молекул хлорофилла, которые различаются по длине волны улавливаемых квантов.

Основными «ловцами» световых частиц являются хлорофиллы а-1 (с длинной волны улавливаемых квантов 700 нм), который находится в фотоситеме 1 и хлорофилл а II (с длинной волны улавливаемых квантов 680 нм), который находится в фотосистеме 2.

Итак, после удара квантом света молекула хлорофилла приходят в возбуждённое состояние.

Что значит возбуждённое состояние?

(Согласно квантовой теории Эйнштейна свет состоит из мельчайших частиц, несущих порции энергии и обладающих импульсом — фотонов. Если фотон, с определённым количеством энергии столкнётся с электроном, то электрон может перейти на новый энергетический уровень. В результате чего молекула и оказывается в возбуждённом состоянии.

Эта энергия быстро мигрирует по светособирающей молекуле хлорофилла к реакционному центру фотосистемы.

(Реакционный центр — это комплекс белков, взаимодействие которых обеспечивает реакцию превращения энергии света в химическую при фотосинтезе.

После поглощения энергии, хлорофиллы испускают пару электронов. Которые передаются на перенощик пластохинон.

Теперь в молекуле хлорофилла недостает 2 электрона. Эти 2 электрона хлорофилл отбирает у молекулы воды, которая находиться во (внутритилакоидном) пространстве.

При этом происходит фотолиз (расщепление) молекул воды.

То есть молекула воды распадается отдаёт 2 электрона молекуле хлорофилла.

Посмотрим на реакции данного процесса (Фотолиза воды).

Благодаря фотонам света, молекула воды расщепляется на два иона (протон водорода и гидроксид-ион).

Ионы гидроксида отдают свои электроны, превращаясь в реакционноспособные радикалы OH.

Несколько радикалов объединяются, образуя воду и свободный кислород. Кислород при этом удаляется во внешнюю среду. Таким образом кислород, которым мы дышим это продукт окисления воды.

О том, что растения в процессе своей жизнедеятельности выделяют кислород люди узнали уже давно.

В 1772 году химик Джозеф Пристли провёл цикл экспериментов с газами.

В одном из своих экспериментов Пристали зажёг свечу и поместил её под перевёрнутый сосуд. Через некоторое время свеча погасла. Так как под сосудом закончился кислород.

Далее он провёл аналогичный эксперимент с мышкой. Мышь умерла вскоре после того, как погасла свеча.

Пристли провёл ещё один опыт. Он поместил под перевёрнутый сосуд зелёное растение с мышью, предоставив им доступ к свету. Свеча горела долгое время. А мышь оставалась жива. Значит подумал Пристли благодаря растению под герметично перевёрнутым сосудом остаётся кислород. Таким образом наблюдение Пристли были одной из первых демонстраций деятельности фотохимических реакционных центров.

Результаты опытов не только определили характерные особенности жизнедеятельности растений, но и продемонстрировали тесную взаимосвязь между растениями и животными.

Вернёмся к фотолизу воды.

Суммарное уравнение фотолиза воды выглядит следующим образом.

Из которого видно, что при фотолизе воды образуются протоны водорода, электроны и свободный кислород. 2 электрона вернулось в молекулу хлорофилла.

Протоны водорода накапливаются внутри тилакоида.

В результате мембрана тилакоида с одной стороны за счёт протонов водорода заряжается положительно, с другой за счёт электронов — отрицательно.

Благодаря разности потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны, протоны проталкиваются через каналы АТФ-синтетазы и происходит фосфорилирование АДФ до АТФ.