Ý Nghĩa Của Pha Sáng Và Pha Tối Của Quá Trình Quang ...

Năng lượng của ánh sáng mặt trời trong pha sáng và pha tối của quá trình quang hợp được chuyển thành năng lượng của các liên kết hóa học của glucozơ như thế nào? Giải thích câu trả lời.

Trả lời

Trong pha sáng của quang hợp, năng lượng của ánh sáng mặt trời được chuyển thành năng lượng của các electron bị kích thích, và sau đó năng lượng của các electron bị kích thích được chuyển thành năng lượng của ATP và NADP-H2. Trong pha tối của quang hợp, năng lượng của ATP và NADP-H2 được chuyển thành năng lượng của các liên kết hóa học glucôzơ.

Điều gì xảy ra trong pha sáng của quang hợp?

Trả lời

Các electron của diệp lục, bị kích thích bởi năng lượng của ánh sáng, đi dọc theo chuỗi vận chuyển electron, năng lượng của chúng được lưu trữ trong ATP và NADP-H2. Nước xảy ra hiện tượng quang phân, khí oxi thoát ra.

Các quá trình chính diễn ra trong pha tối của quang hợp là gì?

Trả lời

Từ cacbon đioxit thu được từ khí quyển và hiđro thu được trong pha sáng, glucozơ được tạo thành do năng lượng của ATP thu được trong pha sáng.

Chức năng của diệp lục trong tế bào thực vật là gì?

Trả lời

Diệp lục tham gia vào quá trình quang hợp: trong pha sáng, diệp lục hấp thụ ánh sáng, điện tử của diệp lục nhận năng lượng ánh sáng, đứt ra và đi theo chuỗi vận chuyển điện tử.

Các electron của diệp lục có vai trò gì trong quá trình quang hợp?

Trả lời

Các electron của diệp lục, bị kích thích bởi ánh sáng mặt trời, đi qua các chuỗi vận chuyển electron và nhường năng lượng của chúng để hình thành ATP và NADP-H2.

Oxi tự do được tạo ra ở giai đoạn nào của quá trình quang hợp?

Trả lời

Trong pha sáng, trong quá trình quang phân của nước.

Quá trình tổng hợp ATP xảy ra trong giai đoạn nào của quá trình quang hợp?

Trả lời

pha sáng.

Nguồn cung cấp oxy trong quá trình quang hợp là gì?

Trả lời

Nước (oxy được giải phóng trong quá trình quang phân của nước).

Tốc độ quang hợp phụ thuộc vào các yếu tố giới hạn (hạn chế), trong số đó là ánh sáng, nồng độ carbon dioxide, nhiệt độ. Tại sao những yếu tố này lại hạn chế phản ứng quang hợp?

Trả lời

Ánh sáng cần thiết cho sự kích thích của diệp lục, nó cung cấp năng lượng cho quá trình quang hợp. Carbon dioxide cần thiết trong pha tối của quá trình quang hợp; glucose được tổng hợp từ nó. Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến sự biến tính của các enzym, các phản ứng của quá trình quang hợp bị chậm lại.

Trong các phản ứng trao đổi chất nào ở thực vật, cacbon đioxit là chất ban đầu để tổng hợp cacbohiđrat?

Trả lời

trong các phản ứng của quang hợp.

Ở lá cây, quá trình quang hợp diễn ra mạnh mẽ. Nó có xảy ra ở quả chín và quả chưa chín không? Giải thích câu trả lời.

Trả lời

Quá trình quang hợp diễn ra ở phần xanh của cây tiếp xúc với ánh sáng. Do đó, quá trình quang hợp xảy ra ở vỏ của quả xanh. Trong quả và vỏ quả chín (không xanh) không xảy ra quá trình quang hợp.

Như tên của nó, quang hợp thực chất là một quá trình tổng hợp tự nhiên của các chất hữu cơ, chuyển đổi CO2 từ khí quyển và nước thành glucose và oxy tự do.

Điều này đòi hỏi sự hiện diện của năng lượng mặt trời.

Phương trình hóa học của quá trình quang hợp có thể được biểu diễn một cách tổng quát như sau:

Quang hợp có hai pha: tối và sáng. Các phản ứng hóa học của pha tối của quang hợp khác hẳn với các phản ứng của pha sáng, nhưng pha tối và sáng của quang hợp phụ thuộc vào nhau.

Pha sáng có thể xảy ra trên lá cây chỉ dưới ánh sáng mặt trời. Đối với một bóng tối, sự hiện diện của carbon dioxide là cần thiết, đó là lý do tại sao cây phải hấp thụ nó từ khí quyển mọi lúc. Tất cả các đặc điểm so sánh của pha tối và pha sáng của quá trình quang hợp sẽ được cung cấp dưới đây. Để làm được điều này, một bảng so sánh "Các giai đoạn quang hợp" đã được tạo ra.

Pha sáng của quang hợp

Các quá trình chính trong pha sáng của quang hợp xảy ra trong màng thylakoid. Nó liên quan đến chất diệp lục, protein mang điện tử, ATP synthetase (một loại enzyme tăng tốc độ phản ứng) và ánh sáng mặt trời.

Ngoài ra, cơ chế phản ứng có thể được mô tả như sau: khi ánh sáng mặt trời chiếu vào lá xanh của thực vật, các electron diệp lục (điện tích âm) được kích thích trong cấu trúc của chúng, chuyển sang trạng thái hoạt động, rời khỏi phân tử sắc tố và kết thúc mặt ngoài của thylakoid, màng của nó cũng mang điện tích âm. Đồng thời, các phân tử diệp lục bị oxy hóa và đã bị oxy hóa chúng sẽ được phục hồi, do đó lấy đi các điện tử từ nước có trong cấu trúc lá.

Quá trình này dẫn đến thực tế là các phân tử nước bị phân hủy, và các ion được tạo ra do quá trình quang phân của nước sẽ hiến tặng các điện tử của chúng và biến thành các gốc OH để có thể thực hiện các phản ứng tiếp theo. Hơn nữa, các gốc OH phản ứng này được kết hợp với nhau, tạo ra các phân tử nước và oxy đầy đủ. Trong trường hợp này, oxy tự do được thải ra môi trường bên ngoài.

Kết quả của tất cả các phản ứng và biến đổi này, màng thylakoid của lá một mặt tích điện dương (do ion H +), mặt khác mang điện tích âm (do electron). Khi sự chênh lệch giữa các điện tích này ở hai bên màng lên đến hơn 200 mV, các proton sẽ đi qua các kênh đặc biệt của enzym ATP synthetase và do đó, ADP được chuyển thành ATP (kết quả của quá trình phosphoryl hóa). Và hydro nguyên tử, được giải phóng khỏi nước, khôi phục chất mang cụ thể NADP + thành NADP H2. Như bạn có thể thấy, do kết quả của pha sáng của quá trình quang hợp, ba quá trình chính xảy ra:

1. Tổng hợp ATP;
2. tạo NADP H2;
3. sự hình thành oxy tự do.

Sau đó được giải phóng vào khí quyển, và NADP H2 và ATP tham gia vào pha tối của quá trình quang hợp.

Pha tối của quang hợp

Pha tối và pha sáng của quá trình quang hợp được đặc trưng bởi một bộ phận của cây tiêu tốn nhiều năng lượng, nhưng pha tối diễn ra nhanh hơn và cần ít năng lượng hơn. Phản ứng pha tối không cần ánh sáng mặt trời nên có thể xảy ra cả ngày lẫn đêm.

Tất cả các quá trình chính của giai đoạn này diễn ra trong chất đệm của lục lạp thực vật và đại diện cho một loại chuỗi biến đổi liên tiếp của carbon dioxide từ khí quyển. Phản ứng đầu tiên trong một dây chuyền như vậy là cố định carbon dioxide. Để làm cho nó hoạt động trơn tru hơn và nhanh hơn, thiên nhiên đã cung cấp enzyme RiBP-carboxylase, xúc tác quá trình cố định CO2.

Sau đó, một chu kỳ toàn bộ của các phản ứng xảy ra, kết thúc là quá trình chuyển hóa axit photphoglyceric thành glucose (đường tự nhiên). Tất cả các phản ứng này đều sử dụng năng lượng của ATP và NADP H2, được tạo ra trong pha sáng của quá trình quang hợp. Ngoài glucose, các chất khác cũng được tạo thành do quá trình quang hợp. Trong số đó có các axit amin khác nhau, axit béo, glycerol, cũng như nucleotide.

Các giai đoạn quang hợp: bảng so sánh

Tiêu chí so sánh	pha sáng	Pha tối
ánh sáng mặt trời	Bắt buộc	Không yêu cầu
Vị trí của các phản ứng	Grana lục lạp	Lục lạp
Sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng	Phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời	Phụ thuộc vào ATP và NADP H2 được hình thành trong pha sáng và lượng CO2 từ khí quyển
nguyên liệu ban đầu	Chất diệp lục, protein mang điện tử, ATP synthetase	Cạc-bon đi-ô-xít
Bản chất của giai đoạn và những gì được hình thành	O2 tự do được giải phóng, ATP và NADP H2 được hình thành	Sự hình thành đường tự nhiên (glucose) và sự hấp thụ CO2 từ khí quyển

Quang hợp - video

Chính xác hơn, carbon dioxide (CO 2) được liên kết trong pha tối.

Quá trình này gồm nhiều giai đoạn, trong tự nhiên có hai cách chính: C 3 -photosynthesis và C 4 -photosynthesis. Chữ cái Latinh C biểu thị một nguyên tử cacbon, số sau nó là số nguyên tử cacbon trong sản phẩm hữu cơ chính của pha tối của quá trình quang hợp. Do đó, trong trường hợp của con đường C 3, axit photphoglyceric ba cacbon, được gọi là FHA, được coi là sản phẩm chính. Trong trường hợp của con đường C 4, hợp chất hữu cơ đầu tiên trong liên kết với carbon dioxide là axit oxaloacetic bốn carbon (oxaloacetate).

Quá trình quang hợp C 3 còn được gọi là chu trình Calvin, theo tên nhà khoa học đã nghiên cứu ra nó. C 4 -photosynthesis bao gồm chu trình Calvin, tuy nhiên, nó không chỉ bao gồm nó và được gọi là chu trình Hatch-Slack. Ở vĩ độ ôn đới, thực vật C 3 phổ biến, ở vĩ độ nhiệt đới - C 4.

Các phản ứng tối của quang hợp diễn ra trong chất nền của lục lạp.

Chu trình calvin

Phản ứng đầu tiên của chu trình Calvin là quá trình cacboxyl hóa của ribulose-1,5-bisphosphate (RiBP). Carboxyl hóa- đây là sự bổ sung một phân tử CO 2, dẫn đến sự hình thành một nhóm cacboxyl -COOH. RiBP là một ribose (đường năm cacbon) trong đó các nhóm photphat (được tạo thành bởi axit photphoric) được gắn vào các nguyên tử cacbon cuối cùng:

Công thức hóa học của RiBF

Phản ứng được xúc tác bởi enzyme ribulose-1,5-bisphosphate-carboxylase-oxygenase ( Rubisco). Nó có thể xúc tác không chỉ cho sự liên kết của carbon dioxide, mà còn cả oxy, như được chỉ ra bởi từ "oxygenase" trong tên của nó. Nếu RuBisCO xúc tác phản ứng bổ sung oxy vào cơ chất thì pha tối của quá trình quang hợp không còn diễn ra theo con đường của chu trình Calvin nữa mà theo con đường photorespiration, về nguyên tắc là có hại cho cây trồng.

Xúc tác của phản ứng cộng CO 2 vào RiBP xảy ra theo một số bước. Kết quả là, một hợp chất hữu cơ sáu carbon không ổn định được hình thành, hợp chất này ngay lập tức bị phân hủy thành hai phân tử ba carbon. axit photphoglyceric(FGK).

Công thức hóa học của axit photphoglyceric

Hơn nữa, FGK, trong một số phản ứng enzym, tiến hành tiêu thụ năng lượng ATP và sức mạnh khử của NADP H 2, biến thành phosphoglyceraldehyde (PGA), còn được gọi là triose phốt phát.

Một phần nhỏ hơn của PHA rời khỏi chu trình Calvin và được sử dụng để tổng hợp các chất hữu cơ phức tạp hơn, chẳng hạn như glucose. Đến lượt nó, nó có thể trùng hợp thành tinh bột. Các chất khác (axit amin, axit béo) được hình thành với sự tham gia của các chất khởi đầu khác nhau. Những phản ứng như vậy không chỉ được quan sát thấy ở các tế bào thực vật. Do đó, nếu chúng ta coi quang hợp là một hiện tượng độc đáo của các tế bào có chứa chất diệp lục, thì nó kết thúc bằng việc tổng hợp PHA, chứ không phải glucose.

Hầu hết các phân tử PHA vẫn ở trong chu trình Calvin. Một số biến đổi diễn ra với nó, kết quả là PHA biến thành RiBF. Nó cũng sử dụng năng lượng của ATP. Do đó, RiBP được tái sinh để liên kết các phân tử carbon dioxide mới.

Chu kỳ Hatch-Slack

Ở nhiều loài thực vật ở môi trường sống nóng, pha tối của quá trình quang hợp có phần phức tạp hơn. Trong quá trình tiến hóa, quang hợp C 4 nổi lên như một cách hiệu quả hơn để thu nhận carbon dioxide, khi lượng oxy trong khí quyển tăng lên, và RuBisCO bắt đầu bị lãng phí vào quá trình quang phân tử kém hiệu quả.

Có hai loại tế bào quang hợp ở thực vật C 4. Trong lục lạp của trung bì lá, pha sáng của quá trình quang hợp và một phần của pha tối xảy ra, cụ thể là sự liên kết của CO 2 với phosphoenolpyruvate(FEP). Kết quả là, một axit hữu cơ bốn cacbon được hình thành. Hơn nữa, axit này được vận chuyển đến lục lạp của các tế bào lót trong bó dẫn. Tại đây, một phân tử CO 2 được tách ra khỏi nó bằng enzym, sau đó đi vào chu trình Calvin. Axit ba cacbon còn lại sau khi khử cacbon - pyruvic- quay trở lại các tế bào trung mô, nơi nó một lần nữa biến thành FEP.

Mặc dù chu trình Hatch-Slack là một biến thể tiêu tốn nhiều năng lượng hơn của pha tối trong quá trình quang hợp, nhưng enzyme liên kết CO 2 và PEP lại là chất xúc tác hiệu quả hơn RuBisCO. Ngoài ra, nó không phản ứng với oxy. Sự vận chuyển CO2 với sự trợ giúp của một axit hữu cơ đến các tế bào sâu hơn, nơi cung cấp oxy bị cản trở, dẫn đến sự gia tăng nồng độ carbon dioxide ở đây, và RuBisCO gần như không dành cho sự liên kết của oxy phân tử.

Làm thế nào để giải thích một quá trình phức tạp như quang hợp, một cách ngắn gọn và rõ ràng? Thực vật là sinh vật sống duy nhất có thể tự sản xuất thức ăn. Họ làm nó như thế nào? Để tăng trưởng, chúng nhận tất cả các chất cần thiết từ môi trường: carbon dioxide - từ không khí, nước và - từ đất. Chúng cũng cần năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Năng lượng này kích hoạt các phản ứng hóa học nhất định trong đó carbon dioxide và nước được chuyển hóa thành glucose (dinh dưỡng) và quá trình quang hợp diễn ra. Một cách ngắn gọn và rõ ràng, bản chất của quá trình này có thể được giải thích ngay cả đối với trẻ em ở độ tuổi đi học.

"Cùng với ánh sáng"

Từ "quang hợp" bắt nguồn từ hai từ Hy Lạp - "ảnh" và "tổng hợp", một sự kết hợp trong bản dịch có nghĩa là "cùng với ánh sáng". Năng lượng mặt trời được chuyển đổi thành năng lượng hóa học. Phương trình hóa học của quang hợp:

6CO 2 + 12H 2 O + ánh sáng \ u003d C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.

Điều này có nghĩa là 6 phân tử carbon dioxide và 12 phân tử nước được sử dụng (cùng với ánh sáng mặt trời) để sản xuất glucose, tạo ra sáu phân tử oxy và sáu phân tử nước. Nếu chúng ta biểu diễn điều này dưới dạng một phương trình bằng lời, chúng ta nhận được như sau:

Nước + mặt trời => glucozơ + oxi + nước.

Mặt trời là một nguồn năng lượng rất mạnh mẽ. Mọi người luôn cố gắng sử dụng nó để tạo ra điện, cách nhiệt nhà cửa, đun nước nóng, v.v. Thực vật đã "tìm ra" cách sử dụng năng lượng mặt trời từ hàng triệu năm trước vì nó cần thiết cho sự tồn tại của chúng. Quang hợp có thể được giải thích ngắn gọn và rõ ràng như sau: thực vật sử dụng năng lượng ánh sáng của mặt trời và chuyển nó thành năng lượng hóa học, kết quả của nó là đường (glucose), phần dư thừa được dự trữ dưới dạng tinh bột trong lá, rễ, thân. và hạt của cây. Năng lượng của mặt trời được chuyển đến thực vật, cũng như động vật mà những thực vật này ăn. Khi cây cần chất dinh dưỡng để phát triển và các quá trình sống khác, những chất dự trữ này rất hữu ích.

Làm thế nào để thực vật hấp thụ năng lượng mặt trời?

Nói về quang hợp một cách ngắn gọn và rõ ràng, cần phải đề cập đến câu hỏi làm thế nào thực vật quản lý để hấp thụ năng lượng mặt trời. Điều này là do cấu tạo đặc biệt của lá, bao gồm các tế bào xanh - lục lạp, chứa một chất đặc biệt gọi là diệp lục. Đây là những gì mang lại cho lá màu xanh của chúng và có nhiệm vụ hấp thụ năng lượng của ánh sáng mặt trời.

Tại sao hầu hết các lá đều rộng và phẳng?

Quá trình quang hợp diễn ra ở lá cây. Thực tế đáng ngạc nhiên là thực vật thích nghi rất tốt để bẫy ánh sáng mặt trời và hấp thụ carbon dioxide. Do bề mặt rộng nên sẽ thu được nhiều ánh sáng hơn. Chính vì lý do đó mà các tấm pin mặt trời, đôi khi được lắp đặt trên nóc các ngôi nhà, cũng rộng và bằng phẳng. Bề mặt càng lớn thì khả năng hấp thụ càng tốt.

Điều gì khác là quan trọng đối với thực vật?

Cũng giống như con người, thực vật cũng cần chất dinh dưỡng và chất dinh dưỡng để khỏe mạnh, phát triển và hoạt động tốt. Chúng lấy các khoáng chất hòa tan trong nước từ đất qua rễ của chúng. Nếu đất thiếu dinh dưỡng khoáng cây sẽ không phát triển bình thường. Nông dân thường kiểm tra đất để đảm bảo rằng nó có đủ chất dinh dưỡng cho sự phát triển của cây trồng. Mặt khác, sử dụng phân bón có chứa các khoáng chất cần thiết cho dinh dưỡng và sự phát triển của cây trồng.

Tại sao quang hợp lại quan trọng như vậy?

Giải thích về quá trình quang hợp một cách ngắn gọn và rõ ràng cho trẻ em, điều đáng nói là quá trình này là một trong những phản ứng hóa học quan trọng nhất trên thế giới. Những lý do cho một tuyên bố lớn như vậy là gì? Đầu tiên, quá trình quang hợp nuôi sống thực vật, từ đó nuôi sống tất cả các sinh vật sống khác trên hành tinh, bao gồm cả động vật và con người. Thứ hai, là kết quả của quá trình quang hợp, oxy cần thiết cho quá trình hô hấp được thải vào khí quyển. Mọi sinh vật đều hít vào khí ô-xi và thở ra khí các-bô-níc. May mắn thay, thực vật làm ngược lại, đó là lý do tại sao chúng rất quan trọng đối với con người và động vật để hô hấp.

Quá trình tuyệt vời

Thực vật hóa ra cũng biết thở, nhưng không giống như con người và động vật, chúng hấp thụ carbon dioxide từ không khí chứ không phải oxy. Thực vật cũng uống. Đó là lý do tại sao bạn cần phải tưới nước cho chúng, nếu không chúng sẽ chết. Với sự trợ giúp của hệ thống rễ, nước và chất dinh dưỡng được vận chuyển đến tất cả các bộ phận của cơ thể thực vật, và carbon dioxide được hấp thụ qua các lỗ nhỏ trên lá. Tác nhân để bắt đầu phản ứng hóa học là ánh sáng mặt trời. Tất cả các sản phẩm trao đổi chất tạo thành được thực vật sử dụng để làm dinh dưỡng, oxy được thải vào khí quyển. Đây là cách bạn có thể giải thích ngắn gọn và rõ ràng quá trình quang hợp xảy ra như thế nào.

Quang hợp: pha sáng và pha tối của quang hợp

Quy trình đang được xem xét bao gồm hai phần chính. Có hai giai đoạn quang hợp (mô tả và bảng - bên dưới). Đầu tiên được gọi là pha sáng. Nó chỉ xảy ra khi có ánh sáng trong màng thylakoid với sự tham gia của chất diệp lục, protein mang điện tử và enzyme ATP synthetase. Quang hợp còn ẩn chứa điều gì nữa? Ánh sáng và thay thế nhau khi ngày và đêm diễn ra (chu kỳ Calvin). Trong pha tối, xảy ra quá trình sản xuất cùng một loại glucozơ, thức ăn cho thực vật. Quá trình này còn được gọi là phản ứng không phụ thuộc vào ánh sáng.

pha sáng

pha tối

1. Các phản ứng xảy ra trong lục lạp chỉ có thể xảy ra khi có ánh sáng. Những phản ứng này chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học. 2. Chất diệp lục và các sắc tố khác hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Năng lượng này được chuyển đến các hệ thống quang hợp để quang hợp. 3. Nước được sử dụng cho các electron và ion hydro, đồng thời tham gia vào quá trình sản xuất oxy 4. Các electron và ion hydro được sử dụng để tạo ATP (phân tử dự trữ năng lượng), cần thiết cho giai đoạn tiếp theo của quá trình quang hợp

1. Các phản ứng của chu kỳ tắt sáng xảy ra ở chất đệm của lục lạp. 2. Khí cacbonic và năng lượng từ ATP được sử dụng dưới dạng glucozơ

Sự kết luận

Từ tất cả những điều trên, có thể rút ra các kết luận sau:

• Quang hợp là quá trình giúp chúng ta có thể thu được năng lượng từ mặt trời.
• Năng lượng ánh sáng của mặt trời được chất diệp lục chuyển hóa thành năng lượng hóa học.
• Chất diệp lục mang lại cho thực vật màu xanh lá cây.
• Quá trình quang hợp xảy ra trong lục lạp của lá cây.
• Khí cacbonic và nước cần thiết cho quá trình quang hợp.
• Carbon dioxide xâm nhập vào cây thông qua các lỗ nhỏ, khí khổng và oxy thoát ra qua chúng.
• Nước được hấp thụ vào cây thông qua rễ của nó.
• Nếu không có quang hợp, sẽ không có thức ăn trên thế giới.

- tổng hợp các chất hữu cơ từ cacbon đioxit và nước với việc sử dụng bắt buộc năng lượng ánh sáng:

6CO 2 + 6H 2 O + Q sáng → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

Ở thực vật bậc cao, cơ quan quang hợp là lá, bào quan quang hợp là lục lạp (cấu tạo của lục lạp là bài giảng số 7). Màng thylakoid của lục lạp chứa các sắc tố quang hợp: diệp lục và carotenoit. Có một số loại chất diệp lục khác nhau ( A B C D), chất chính là chất diệp lục một. Trong phân tử diệp lục, có thể phân biệt “đầu” porphyrin với nguyên tử magie ở trung tâm và “đuôi” phytol. “Đầu” porphyrin là một cấu trúc phẳng, ưa nước, và do đó nằm trên bề mặt của màng đối diện với môi trường nước của chất đệm. "Đuôi" phytol kỵ nước và do đó giữ phân tử diệp lục trong màng.

Chất diệp lục hấp thụ ánh sáng đỏ và xanh tím, phản xạ màu xanh lá cây và do đó tạo cho thực vật màu xanh lá cây đặc trưng của chúng. Các phân tử diệp lục trong màng thylakoid được tổ chức thành hệ thống ảnh. Thực vật và tảo xanh lam có quang hệ 1 và quang hệ 2; vi khuẩn quang hợp có quang hệ 1. Chỉ có hệ thống quang học-2 mới có thể phân hủy nước với sự giải phóng oxy và lấy các điện tử từ hydro của nước.

Quang hợp là một quá trình phức tạp gồm nhiều giai đoạn; phản ứng quang hợp được chia thành hai nhóm: phản ứng pha sáng và phản ứng pha tối.

pha sáng

Giai đoạn này chỉ xảy ra khi có ánh sáng trong màng thylakoid với sự tham gia của chất diệp lục, protein mang điện tử và enzyme ATP synthetase. Dưới tác dụng của một lượng tử ánh sáng, các electron của diệp lục bị kích thích, rời khỏi phân tử và đi vào mặt ngoài của màng thylakoid, màng này cuối cùng trở nên tích điện âm. Các phân tử diệp lục bị oxy hóa được phục hồi bằng cách lấy các điện tử từ nước nằm trong không gian intrathylakoid. Điều này dẫn đến sự phân hủy hoặc quang phân của nước:

H 2 O + Q sáng → H + + OH -.

Các ion hydroxyl hiến tặng các điện tử của chúng, biến thành các gốc phản ứng. OH:

OH - → .OH + e -.

Radicals.OH kết hợp để tạo thành nước và oxy tự do:

4 KHÔNG. → 2H 2 O + O 2.

Trong trường hợp này, oxy được đưa ra môi trường bên ngoài, và các proton tích tụ bên trong thylakoid trong "bể chứa proton". Kết quả là màng thylakoid một mặt tích điện dương do H +, mặt khác tích điện âm do electron. Khi hiệu điện thế giữa mặt ngoài và mặt trong của màng thylakoid đạt 200 mV, proton được đẩy qua các kênh của ATP synthetase và ADP được phosphoryl hóa thành ATP; nguyên tử hydro được sử dụng để khôi phục chất mang cụ thể NADP + (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) thành NADP H 2:

2H + + 2e - + NADP → NADP H 2.

Như vậy, quá trình quang phân của nước xảy ra trong pha sáng, đi kèm với ba quá trình chính: 1) Tổng hợp ATP; 2) sự hình thành NADP · H 2; 3) sự hình thành oxy. Oxy khuếch tán vào khí quyển, ATP và NADP · H 2 được vận chuyển đến chất đệm của lục lạp và tham gia vào các quá trình của pha tối.

1 - chất đệm của lục lạp; 2 - grana thylakoid.

pha tối

Pha này diễn ra trong chất đệm của lục lạp. Các phản ứng của nó không cần năng lượng của ánh sáng, vì vậy chúng không chỉ xảy ra trong ánh sáng mà còn xảy ra trong bóng tối. Các phản ứng của pha tối là một chuỗi biến đổi liên tiếp của khí cacbonic (sinh ra từ không khí), dẫn đến sự hình thành glucôzơ và các chất hữu cơ khác.

Phản ứng đầu tiên trong chuỗi này là cố định carbon dioxide; Chất nhận carbon dioxide là một loại đường năm carbon ribulose bisphosphate(RiBF); enzyme xúc tác phản ứng ribulose bisphosphate carboxylase(RiBP-carboxylase). Kết quả của quá trình cacboxyl hóa ribuloza bisphosphat, một hợp chất sáu cacbon không ổn định được hình thành, ngay lập tức bị phân hủy thành hai phân tử axit photphoglyceric(FGK). Sau đó, có một chu kỳ phản ứng, trong đó, thông qua một loạt các sản phẩm trung gian, axit photphoglyceric được chuyển thành glucose. Những phản ứng này sử dụng năng lượng của ATP và NADP · H 2 được hình thành trong pha sáng; Chu trình của các phản ứng này được gọi là chu trình Calvin:

6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.

Ngoài glucozơ, các đơn phân khác của các hợp chất hữu cơ phức tạp được hình thành trong quá trình quang hợp - axit amin, glixerol và axit béo, nucleotit. Hiện nay, có hai loại quang hợp: C 3 - và C 4 - quang hợp.

C 3-quang tổng hợp

Đây là một kiểu quang hợp trong đó các hợp chất ba cacbon (C3) là sản phẩm đầu tiên. C 3 -photosynthesis được phát hiện trước C 4 -photosynthesis (M. Calvin). Đó là sự tổng hợp C 3 được mô tả ở trên, dưới tiêu đề "Pha tối". Các tính năng đặc trưng của quá trình quang hợp C 3: 1) RiBP là chất nhận cacbon đioxit, 2) RiBP cacboxylase xúc tác phản ứng cacboxyl hóa RiBP, 3) là kết quả của quá trình cacboxyl hóa RiBP, một hợp chất sáu cacbon được hình thành, phân hủy thành hai FHA. FHA được khôi phục thành phốt phát triose(TF). Một phần TF được sử dụng để tái tạo RiBP, một phần được chuyển hóa thành glucose.

1 - lục lạp; 2 - peroxisome; 3 - ti thể.

Đây là sự hấp thụ oxy phụ thuộc vào ánh sáng và thải ra carbon dioxide. Thậm chí vào đầu thế kỷ trước, người ta đã phát hiện ra rằng ôxy ức chế quá trình quang hợp. Hóa ra, không chỉ carbon dioxide, mà cả oxy cũng có thể là chất nền cho RiBP carboxylase:

O 2 + RiBP → phosphoglycolat (2С) + FHA (3С).

Enzyme này được gọi là RiBP-oxygenase. Oxy là chất ức chế cạnh tranh của quá trình cố định carbon dioxide. Nhóm photphat bị phân cắt và phosphoglycolat trở thành glycolat, mà cây trồng phải sử dụng. Nó xâm nhập vào peroxisomes, nơi nó bị oxy hóa thành glycine. Glycine đi vào ty thể, nơi nó bị oxy hóa thành serine, làm mất đi lượng carbon đã cố định ở dạng CO 2. Kết quả là, hai phân tử glycolat (2C + 2C) được chuyển đổi thành một FHA (3C) và CO 2. Quá trình photorespiration dẫn đến việc giảm năng suất của C 3-cây trồng 3 đến 30 - 40% ( C 3 -cây cấy- thực vật có đặc điểm là C 3-quang hợp).

C 4 -photosynthesis - quang hợp, trong đó sản phẩm đầu tiên là các hợp chất bốn cacbon (C 4). Năm 1965, người ta nhận thấy rằng ở một số thực vật (mía, ngô, cao lương, kê) sản phẩm đầu tiên của quá trình quang hợp là các axit bốn cacbon. Những cây như vậy được gọi là Với 4 cây. Năm 1966, các nhà khoa học Úc Hatch và Slack đã chỉ ra rằng cây C 4 trên thực tế không có hiện tượng quang phân tử và hấp thụ carbon dioxide hiệu quả hơn nhiều. Con đường biến đổi cacbon trong thực vật C 4 bắt đầu được gọi là bởi Hatch-Slack.

C 4 cây có đặc điểm cấu tạo giải phẫu đặc biệt của lá. Tất cả các bó dẫn được bao bọc bởi một lớp tế bào kép: lớp ngoài là tế bào trung mô, lớp trong là tế bào lót. Carbon dioxide được cố định trong tế bào chất của tế bào trung mô, chất nhận là phosphoenolpyruvate(PEP, 3C), là kết quả của quá trình cacboxyl hóa PEP, oxaloacetate (4C) được hình thành. Quá trình được xúc tác PEP cacboxylase. Trái ngược với RiBP carboxylase, PEP carboxylase có ái lực cao với CO 2 và quan trọng nhất là không tương tác với O 2. Trong lục lạp trung bì, có nhiều granae, nơi tích cực diễn ra các phản ứng của pha sáng. Trong lục lạp của tế bào có vỏ bọc diễn ra các phản ứng của pha tối.

Oxaloacetate (4C) được chuyển thành malate, được vận chuyển qua plasmodesmata đến các tế bào lót. Tại đây nó được khử cacboxyl và khử nước để tạo thành pyruvate, CO 2 và NADP · H 2.

Pyruvate quay trở lại tế bào trung mô và tái sinh với chi phí năng lượng ATP trong PEP. CO 2 một lần nữa được cố định bởi RiBP carboxylase với sự hình thành FHA. Quá trình tái tạo PEP đòi hỏi năng lượng của ATP, vì vậy gần như gấp đôi năng lượng so với quá trình quang hợp C 3.

Tầm quan trọng của quang hợp

Nhờ quá trình quang hợp, hàng năm có hàng tỷ tấn khí cacbonic được hấp thụ từ khí quyển, hàng tỷ tấn ôxy thải ra; quang hợp là nguồn chính của quá trình hình thành các chất hữu cơ. Tầng ôzôn được hình thành từ ôxy, có tác dụng bảo vệ các sinh vật sống khỏi bức xạ cực tím sóng ngắn.

Trong quá trình quang hợp, một chiếc lá xanh chỉ sử dụng khoảng 1% năng lượng mặt trời rơi vào nó, năng suất khoảng 1 g chất hữu cơ trên 1 m 2 bề mặt mỗi giờ.

Tổng hợp hóa học

Quá trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ từ carbon dioxide và nước, được thực hiện không tiêu tốn năng lượng ánh sáng, mà tiêu tốn năng lượng ôxy hóa của các chất vô cơ, được gọi là sự tổng hợp hóa học. Sinh vật tổng hợp hóa học bao gồm một số loại vi khuẩn.

Vi khuẩn nitrat hóa oxi hóa amoniac thành nitơ, và sau đó thành axit nitric (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

vi khuẩn sắt chuyển sắt đen thành oxit (Fe 2+ → Fe 3+).

Vi khuẩn lưu huỳnh oxi hóa hiđro sunfua thành lưu huỳnh hoặc axit sunfuric (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

Là kết quả của các phản ứng oxy hóa các chất vô cơ, năng lượng được giải phóng, được vi khuẩn lưu trữ dưới dạng các liên kết năng lượng cao của ATP. ATP được sử dụng để tổng hợp các chất hữu cơ, diễn ra tương tự như các phản ứng trong pha tối của quá trình quang hợp.

Vi khuẩn hóa tổng hợp góp phần tích tụ khoáng chất trong đất, cải thiện độ phì nhiêu của đất, thúc đẩy quá trình xử lý nước thải, v.v.

Đi đến bài giảng №11“Khái niệm về sự trao đổi chất. Sinh tổng hợp protein "

Đi đến bài giảng №13"Các phương thức phân chia tế bào nhân thực: nguyên phân, giảm phân, giảm phân"