Компоненты фотосинтеза

Содержание

• Компоненты фотосинтеза
• Краткое изложение фотосинтеза
• Как листья поддерживают фотосинтез
• Хлоропласты: фабрики фотосинтеза
• Для чего нужны тилакоиды?
• Реакции света: свет достигает тилакоидной мембраны
• Реакции света: транспорт электронов
• Световые реакции: фотофосфорилирование
• Темная реакция: углеродная фиксация

Растения, несомненно, являются любимым живым существом человечества за пределами животного мира. Помимо способности растений кормить людей в мире - без фруктов, овощей, орехов и зерен, маловероятно, что вы или эта статья существовали бы - растения уважают за их красоту и их роль во всевозможных человеческих церемониях. То, что им удается делать это без способности двигаться или есть, действительно замечательно.

На самом деле растения используют ту же основную молекулу, которую используют все формы жизни для роста, выживания и размножения: маленький шестиуглеродистый углевод в форме кольца глюкоза, Но вместо того, чтобы есть источники этого сахара, они вместо этого делают его. Как это возможно, и, учитывая, что это так, почему люди и другие животные просто не делают одно и то же и избавляют себя от необходимости охотиться, собирать, хранить и потреблять пищу?

Ответ фотосинтезсерия химических реакций, в которых растительные клетки используют энергию солнечного света для производства глюкозы. Затем растения используют некоторую часть глюкозы для собственных нужд, а остальное остается доступным для других организмов.

Компоненты фотосинтеза

Проницательные студенты могут быстро спросить: «Во время фотосинтеза в растениях, каков источник углерода в молекуле сахара, которую производит растение?» Вам не нужно научное образование, чтобы предположить, что «энергия солнца» состоит из света, и этот свет не содержит ни одного из элементов, составляющих молекулы, наиболее часто встречающиеся в живых системах. (Свет состоит из фотоны, которые являются безмассовыми частицами, которых нет в периодической таблице элементов.)

Самый простой способ представить различные части фотосинтеза - начать с химической формулы, которая суммирует весь процесс.

6 ч₂O + 6 CO₂ → С₆ЧАС₁₂О₆+ 6 O₂

Таким образом, сырьем для фотосинтеза является вода (H₂О) и диоксид углерода (СО₂), которые в изобилии на земле и в атмосфере, в то время как продукты глюкозы (C₆ЧАС₁₂О₆) и газообразный кислород (O₂).

Краткое изложение фотосинтеза

Схематическое резюме процесса фотосинтеза, компоненты которого подробно описаны в последующих разделах, заключается в следующем. (Пока не беспокойтесь о сокращениях, с которыми вы, возможно, не знакомы.)

Первые четыре из этих шагов известны как световые реакции или светозависимые реакции, так как они полностью зависят от солнечного света. Цикл Кальвина, напротив, называется темная реакция, также известный как независимые от света реакции. Хотя, как следует из названия, темная реакция может действовать без источника света, она зависит от продуктов, созданных в светозависимых реакциях.

Как листья поддерживают фотосинтез

Если вы когда-либо смотрели на диаграмму поперечного сечения человеческой кожи (то есть как бы она выглядела со стороны, если бы вы могли смотреть на нее на всем пути от поверхности до любой ткани, под которой встречается кожа), вы возможно, отметил, что кожа включает в себя различные слои. Эти слои содержат различные компоненты в разных концентрациях, такие как потовые железы и волосяные фолликулы.

Анатомия листа устроена подобным образом, за исключением того, что листья обращены к внешнему миру на два Стороны. Двигаясь от вершины листа (который считается наиболее обращенным к свету) к нижней стороне, слои включают кутикулавосковое тонкое защитное покрытие; верхний эпидермис; мезофилла; нижний эпидермис; и второй слой кутикулы.

Сам мезофилл включает верхний частокол слой, с ячейками, расположенными в аккуратные столбцы, и нижний губчатый слой, который имеет меньше клеток и больший интервал между ними. Фотосинтез происходит в мезофилле, что имеет смысл, потому что это самый поверхностный слой листа любого вещества и наиболее близок к любому свету, падающему на поверхность листьев.

Хлоропласты: фабрики фотосинтеза

Организмы, которые должны получать питание от органических молекул в окружающей среде (то есть от веществ, которые люди называют «пищей»), известны как гетеротрофы, Растения, с другой стороны, являются автотрофы в том, что они строят эти молекулы внутри своих клеток и затем используют то, что им нужно, до того, как остаток связанного углерода возвращается в экосистему, когда растение умирает или съедается.

Фотосинтез происходит в органеллах («крошечных органах») в растительных клетках, называемых хлоропласты, Органеллы, которые присутствуют только в эукариотических клетках, окружены двойной плазматической мембраной, которая структурно аналогична окружающей клетке в целом (обычно просто называемой клеточной мембраной).

Функциональными единицами фотосинтеза являются тилакоиды. Эти структуры появляются как у фотосинтетических прокариот, таких как цианобактерии (сине-зеленые водоросли), так и у растений. Но поскольку только эукариоты имеют мембраносвязанные органеллы, тилакоиды у прокариот свободно сидят в цитоплазме клетки, так же, как ДНК в этих организмах из-за отсутствия ядра у прокариот.

Для чего нужны тилакоиды?

У растений тилакоидная мембрана фактически непрерывна с мембраной самого хлоропласта. Поэтому тилакоиды подобны органеллам внутри органелл. Они расположены в круглых стопках, как тарелки в шкафу, то есть пустые тарелки. Эти стеки называются гранаи внутренности тилакоидов связаны в похожую на сеть сеть трубок. Пространство между тилакоидами и внутренней мембраной хлоропласта называется строма.

Тилакоиды содержат пигмент хлорофилл, который отвечает за зеленый цвет, который большинство растений проявляют в той или иной форме. Однако важнее, чем предлагать человеческому глазу блестящий вид, хлорофилл - это то, что «захватывает» солнечный свет (или, если уж на то пошло, искусственный свет) в хлоропласте и, следовательно, вещество, которое позволяет фотосинтезу проходить в первую очередь.

На самом деле существует несколько различных пигментов, способствующих фотосинтезу, причем хлорофилл А является основным. В дополнение к вариантам хлорофилла, многие другие пигменты тилакоидов чувствительны к свету, включая красный, коричневый и синий. Они могут передавать поступающий свет на хлорофилл А, или они могут помочь предотвратить повреждение клетки светом, служа своего рода приманкой.

Реакции света: свет достигает тилакоидной мембраны

Когда солнечный свет или энергия света от другого источника достигает тилакоидной мембраны после прохождения через кутикулу листа, клеточную стенку растения, слои клеточной мембраны, два слоя мембраны хлоропласта и, наконец, строму, он встречает пару тесно связанные мультибелковые комплексы под названием фотосистемы.

Комплекс под названием «Фотосистема I» отличается от своего товарища «Фотосистема II» тем, что он по-разному реагирует на различные длины волн света; Кроме того, две фотосистемы содержат слегка отличающиеся версии хлорофилла А. Фотосистема I содержит форму под названием P700, а Фотосистема II использует форму под названием P680. Эти комплексы содержат светосборный комплекс и реакционный центр. Когда свет достигает их, он вытесняет электроны из молекул в хлорофилле, и они переходят к следующему этапу в световых реакциях.

Напомним, что чистое уравнение для фотосинтеза включает в себя как СО₂ и H₂O как входы. Эти молекулы свободно переходят в клетки растения благодаря их небольшому размеру и доступны в качестве реагентов.

Реакции света: транспорт электронов

Когда электроны освобождаются от молекул хлорофилла поступающим светом, их необходимо каким-то образом заменить. Это делается главным образом путем расщепления H₂O в кислородный газ (O₂) и свободные электроны. O₂ в этой обстановке продукт отходов (возможно, для большинства людей трудно представить вновь созданный кислород как продукт отходов, но таковы причуды биохимии), в то время как некоторые электроны попадают в хлорофилл в форме водорода ( ЧАС).

Электроны пробиваются вниз по цепочке молекул, встроенных в тилакоидную мембрану, к конечному акцептору электронов, молекуле, известной как никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфат (НАДФ).⁺ ). Поймите, что «вниз» означает не вертикально вниз, а вниз в смысле постепенно понижающейся энергии. Когда электроны достигают НАДФ⁺эти молекулы объединяются, чтобы создать восстановленную форму электронного носителя, НАДФН. Эта молекула необходима для последующей темной реакции.

Световые реакции: фотофосфорилирование

В то же время, когда NADPH генерируется в системе, описанной ранее, процесс называется фотофосфорилирование использует энергию, высвобождаемую из других электронов, «падая» в тилакоидную мембрану Протон-движущая сила соединяет молекулы неорганического фосфатаили P_я, к аденозиндифосфату (АДФ) с образованием аденозинтрифосфата (АТФ).

Этот процесс аналогичен процессу клеточного дыхания, известному как окислительное фосфорилирование. В то же время в тилакоидах вырабатывается АТФ с целью производства глюкозы в темноте, митохондрии в других местах в растительных клетках используют продукты распада некоторого количества этой глюкозы для превращения АТФ в клеточном дыхании для растений в конечный метаболизм. необходимо.

Темная реакция: углеродная фиксация

Когда СО₂ попадает в растительные клетки, подвергается ряду реакций, вначале добавляясь к пятиуглеродной молекуле для создания промежуточного шестиуглеродного соединения, которое быстро распадается на две трехуглеродные молекулы. Почему эта шестиуглеродная молекула просто не превращается непосредственно в глюкозу, также шестиуглеродную молекулу? В то время как некоторые из этих трехуглеродных молекул выходят из процесса и фактически используются для синтеза глюкозы, другие трехуглеродные молекулы необходимы для поддержания цикла, так как они соединены с поступающим СО₂ чтобы получить пятиуглеродное соединение, указанное выше.

Тот факт, что энергия света используется в процессе фотосинтеза для управления процессами, независимыми от света, имеет смысл, учитывая тот факт, что солнце встает и садится, что ставит растения в положение, когда им приходится «накапливать» молекулы в течение дня, чтобы они могли заниматься их еда в то время как солнце находится ниже горизонта.

Для целей номенклатуры цикл Кальвина, темновая реакция и углеродная фиксация - это одно и то же, что делает глюкозу. Важно понимать, что без постоянного источника света фотосинтез не мог бы произойти. Растения могут процветать в условиях, где свет всегда присутствует, например, в комнате, где свет никогда не тускнеет. Но обратное неверно: без света фотосинтез невозможен.