Тема: фо-то-син-тез. . . . . . . . Урррааааааа--а-а-а-а-а. . . .

1. Материальная база фотосинтеза. Лимитирующие факторы фотосинтеза.

Фотосинтез это не только источник пищевых ресурсов и полезных ископаемемых, но и фактор сбалансированности биосферных процессов на Земле. Баланс между кислородом и углекислым газом, включая постоянство содержания кислорода и углекислого газа в атмосфере. Глобальная чистая продуктивность фотосинтеза составляет 78 Х 10⁸ тонн углерода в год, из которых 7% непосредственно используется на питание, топливо, сторительные материалы и т.д. В настоящее время потребление ископаемого топлива приблизительно сровнялось с образованием биомассы на планете. Ежегодно, в ходе фотосинтеза в атмосферу поступает 70- 120 млрд тонн кислорода, чт ои обеспечивает дыхание всех организмов. Существенным фактором фоотосинтеза является так же стабилизация содержания углекислого газа в атмосфере. В настоящее время содержание углекислого газа составляет 711 млрд тонн в пересчетет на углерод. В Мировом Океане растворено в 60 раз больше углекислого газа, чем находится в атмосфере. Производительная деятельность людей с одной стороны, фотосинтез с другой поддерживают относительно постоянный уровень углекислого газа в атмосфере. Однако за последние десятилетия из-за возрастающего сжигания человеком ископаемого топлива, вырубки лесов, и так далее сложилась ситуация, когда технический прогресс сделал баланс атмосферных явлений отрицательным.

Значение фотосинтеза:

1.В процессе фотосинтеза образуется большое количество органики, куда включена энергия света.

2. В атмосферу выделяется кислород, который необходим для дыхания всех живых организмов.

3. В процессе фотосинтеза углекислый газ включается в круговорот углерода в природе.

4. В продуктах фотосинтеза накапливается большое количество химически чистой энергии, которая высвобождается в процессе дыхания за счет окисления сахаров и эонергия накапливается в виде АТФ.

Лимитирующие факторы фотосинтеза можно поделить на эндогенные механизмы регуляции фотосинтеза и на зависимость фотосинтеза от факторов внешней среды (экзогенные).

Одним из основных факторов эндогенной регуляции фотосинтеза является проводимость листа для молекул углекислого газа, она измеряется в см/сек. Проводимость бывает устьичной и мезофильной.

Устьичная проводимость (проводимость в газовой фазе) у растений колеблется от 1см/сек, когда устьица открыты, до 0, 02 см/сек, при закрытых устьицах.

Мезофильная проводимость (проводимость углекислого газа в жидкой фазе) имеет значения 0,1-0,5 см в сек у C₃ растений и более 0,5 см/сек у C₄ растений.

Фотохимическое лимитирование фотосинтеза.

Сокрость фотосинтетического метаболизма часто ограничивается поступлением энергии в форме АТФ и НАДФ (никотинаденозинтрифосфорная кислота). Недостаточное образование энергии на втором этапе фотосинтеза снижает скорость всего фотосинтеза.

Биохимическое лимитирование фотосинтеза зависит от количества фермента РДФ-карбоксилазы. Содержание карбоксилазы в листьях С­₃ растений составляет 2-3,5 грамм на м^2, что достаточно для обеспечения высокой скорости фотосинтеза.

Гормональный эффект. На скорость фотосинтетического метаболизма могут повлиять синтезируемые в хлоропластах вещества гормональной природы (АБК-абцизовая кислота).

Донорно-Акцепторные отношение. Интенсивность фотосинтеза сильно зависит от подребляющих органов ассимилятов. Например, удаление клубней с растений картофеля и плодов томата повлияло на фотосинтез. Частичное удаление молодых листьев резко увеличивает интенсивность оставшихся листьев для того, чтобы удовлетворить запрос акцепторов на ассимиляты.

Объявление: (Со след. с еместра опоздавших не пускать!)

Возраст листа.

Интенсивность фотосинтеза возрастает с интенсивностью роста листовой пластинки,...........

Внешние факторы влияют на фотосинтез:

освещенность - для того чтобы начался процесс фотосинтеза достаточно 1-3% солнечной энергии.

Непосредственно в ходе фотосинтеза используется лишь 1-3% солнечной энергии. Важной особенностью, определяющей возможность растений произрастать при большей или меньшей освещенности является положение компенсационной точки. Под компенсационной точкой понимается та освещенность, при которой процессы фотосинтеза и дыхания уравновешивают друг друга. Рост зеленого растения может идти тлько при освещенности выше компенсационной точки. Теневыносливые растения характеризуются Более низкой интенсивностью дыхания, что и позволяет им расти при меньшей освещенности. Компенсационная точка заметно растет с повышением температуры, так как повышение температуры сильнее увеличивает дыхание по сравнению с фотосинтезом. Конечный выход продуктов фотосинтеза зависит от скорости не столько световых, сколько темновых реакций.

Температура. Влияние температуры на фотосинтез находится в зависимости от интенсивности освещения. При низкой освещенности фотосинтез от температуры не зависит. В этом случае интенсивность фотосинтеза лимитируется скоростью световых реакций. Температурные пределы в которых возможно осуществление процессов фотосинтеза различны для разных растений. Минимальная температура для фотосинтеза растений средней полосы России около 0 ⁰С, для тропических растений +5⁰ +10⁰ С. Лишайники при температуре -25⁰. Оптимальная температура для большинства растений 20-25^0, для тропических растений 25-40⁰, при более высокой температуре может произойти процесс инактивации(разрушение хлоропластов), а так же закрытие устьиц.

Содержание углекислого газа в воздухе - в воздухе содержится 0,03%. Разные растения неодинаково используют такую концентрацию углекислого газа. Растения в которых фотосинтез идет по C₄-пути (тропические растения, кукуруза, сорго) обладают более высокой способностью связывания углекислого газа, благодаря высокой активности фермента ФЭП-карбоксилазы (фосоэнолпироват). Процесс фотофинтеза может осуществляться при содержании углекислого газа для С₃-растений не менее 0,005% а для С₄- 0,0005%. Повышение содержания углекислого газа до 1,5% вызывает прямопропорциональное возрастание интенсивности фотосинтеза у с/х культур. При увеличении углекислого газа до 15-20% процесс фотосинтеза начинает выравниваться, при дальнейшем увеличении начианется спад, закрываются устьица.

Водный режим. Не смотря на то, что при фотосинтезе используется лишь около 1% воды. Дефицит воды влияет на фотосинтез. С другой стороны, при полной насыщенности воды клеток листа фотосинтез тоже снижается. В этом случае замыкающие устьичные клетки оказываются несколько сдавленными и устьичные щели не могут открыться. Небольшой водный дефицит (5-15%) оказывает благоприятное влияние на интенсивность фотосинтеза. Увеличение водного дефицита более 15 % приводит к снижению фотосинтеза.

Концентрация кислорода. С увеличением концентрации кислорода выше атмосферной интенсивность фотосинтеза подавляется, в результате активации фотодыхания, а при снижении кислорода интенсивность возрастает.

Болезни растений грибные патогены не приводят кбыстрой гибели растения-хозяина, так как их развитие возможно только на живой ткани. Интенсивность фотосинтеза больных растений значительно ниже по сравнению со здоровыми. Это объясняется нарушением структуры фотосинтетического аппарата. В естественных условиях на интенсивность фотосинтеза эндогенные и экзогенные факторы действуют совместно.

Питание растений углеродом или фотосинтез.

Растительные организмы - автотрофы. Фотосинтез - это образование зелеными растениями органического вещества из углекислого газа и воды, с участием эелктромагнитной энергии света и пигмента хлорофилла. С точки зрения термодинамики фотосинтез - это процесс преобразования солнечной энергии в энергию химических связей.

С химической точки зрения процесс фотосинтеза является окислительно-восстановительной реакцией. В процессе фотосинтеза происходит окисление воды (фотолиз воды), при этом кислород выделяется в атмосферу а протоны водорода идут на восстановление углекислого газа до сахаров. Таким образом чтобы произошел процесс фотосинтеза необходим источник протонов водорода. Для высших растений этим источником всегда является вода. Для бактериального фотосинтеза может быть сероводород и водород. Для хемисинтетиков может быть вода, аммиак, сероводород, водород.

(…)Хлоропласты имеют форму двояковыпуклой линзы, окружены двойной мембраной. Внутреннее пространство хлоропластов заполнено сторомой и пронизано ламеллами. Ламеллы, соединенные друг с другом обарзуют плоские мешочки (тиллакоиды), тиллакойды, собранные в пачки называются гранами. Между гранами параллельно друг другу располагаются длинные тилокойды,которые получили название тилакойды стромы. В хлоропластах имеется два раздельных пространства: внутреннее (внутри тилакойда) и внешнее (вне тилакойда). Во внутренней мембране телакойдов располагаются крупные комплексы макромолекул: кислород выделяющий комплекс, комплексы поглощающие кванты света, ФС I, ФСII, элементы фотосинтетической ЭТЦ, переносящей электроны от ФСII к ФС I и АТФ синтезирующие ферменты. ФС I с реакицонным центром P700 (700 - длина волны прик оторой поглощается максимальная длина света), аналогично с ФС II. Основным фотосинтетическим пигментом является хлорофилл. Он сосредоточен главным образом в мембранах теллокойдах гран. По химическому составу хлорофилл является сложным эфиром дикарбоновой хлорофиллиновой кислоты и двух спиртов - метанола и фитола. В центре молекулы хлорофилла находится Mg, включающий 4 пиррольных кольца, соединенных метиновыми мостиками. Считается, что наличие азота и двойных связей определяют его зеленый цвет. Известно более 10 видов хлорофилла, но для фотосинтеза высших растений важно присутствие хлорофилла a и хлорофилла b, они относятся друг к другу 3:1. Хлорофилл ф имеет сине-зеленую окраску а хлорофилл b - светло-зеленую.

Физические свойства хлорофиллов:

1. В живых клетках хлорофилл способен к обратному фотоокислению, так как азот пиррольных колец способен окисляться и восстанавливаться.

2. Хлорофилл а в отличие от хлорофилла b одной группировкой. хлорофилл а имеет во втором пиррольном кольце метиловую группу, хлорофилл b - альдегидную.

3. Молекула хлорофилла полярна, порфириновое ядро обладает гидрофильными свойствами, а фитольный хвост - гидрофобную.

Химические свойства хлорофилла:

1. Они способны к реакциям омыления, так как со щелочами образуются соль дикарбоновой кислоты хлорофиллина и свободные спирты - метанол и фетол

2. Способны взаимодействовать с кислотами, при этом магний замещается на водород. В этом случае теряется зеленая окраска и образуется пигмент бурого цвета - феофетин.

На ряду с зелеными пигментами в растениях присутствуют желтые пигменты - каротиноиды - обязательные спутники хлорофиллов.

Каротиноиды поглощают свет сине-фиолетовой части спектра и в отличие от хлорофилла не обладают способбностью к флуоресценции. По химической природе каротиноиды представляют собой полиизопреноидную цепь, состоящую из 40 атомов углерода. В зависимости от содержания кислородав молекуле каротиноида различают бетта каротин - не содержащий кислород, и ксантофиллы - содержащие кислород в форме гидроксильных групп OH.

Функции:

1. Антенная - дополнительные пигмент для поглощения солнечной энергии

2. Защитная - от UV лучей и кислорода

3. Фотопротекторная - предохраняет реакционный центр от мощных потоков энергии при высоких интенсивностях света.

Механизмы фотосинтеза:

С химической точки зрения фотосинтез - это сложный многуступенчатый ОВ-процесс, который условно можно разделить на три этапа:

1. фотофизический - на этом этапе под действем энергии света молекула хлорофилла переходит в возубжденное состояние, т.е. состояние с избыточным запасом энергии. Эта энергия может быть растрачена на испускание света, выделение тепла, выделиться в виде совершения работы, но самое важное в физиологическом отношении может быть использована на фотохимическую работу. Молекулы хлорофилла организованы в определенные группы. В центре одной из таких групп находится особая молекула хлорофилла, которая способна поглощать определенный спектр света и называется РЦ. Именно эта молекула отдает электрон на первичный акцептор, вокруг РЦ располагаются 300-400 молекул хлорофилла, которые переходят в возбужденное состояние при поглощении кванта света. Энергия возбужденного состояния всех молекул стекается на реакционный центр, а РЦ, получив энергию отдает электрон ЭТЦ.

2. фотохимический

3. ферментативный

ТЕМА: "Дыхание растений"

1. История изучения дыхания

2. Сущность процесса дыхания

3. Значение процесса дыхания

4. АТФ. Структура и функция АТФ

5. Величины, характеризующие процессы дыхания

6. Ферменты дыхания

7. Теория дыхания Палладина и Баха

8. Дыхательный аппарат клетки

1. В конце XVIIIв Лавуазье предложил, что при дыхании, как при горении поглощается кислород и выделяется углекислый газ и теплота. В Его предложении что дыхание - это медленно текущее горение питательных веществ в живом организме, сопровождаемое присоединением кислорода к окисляемому субстрату, его предположение было ошибочным, так как он не мог знать что в отличие от сжигания топлива в топке, в клетке энергия окисления, как правило не выделяется в виде теплоты, а связывается в молекулы АТФ. Существенный вклад в изучение процессов химизма дыхания внесли как отечественные (Бородин, Бах, Костычев, Палладин) так и зарубежные ученые (Лавуазье, Вилланд, Кребс)

2. Одним из характерных признаков в жизни как растительного так и животного организма является процесс дыхания. Дыхание - присуще всем живым организмам. Смерть организма характеризуется полным прекращением дыхания. Дыхание служит источником энергии для всех протекающих в организме биохимических процессов.

В природе существует два процесса, в ходе которых энергия солнечного света, запасенная в органическом веществе высвобождается - это дыхание и брожение. Дыхание - это сложный многоступенчатый процесс окисления органических соединений с выделением накопленной энергии, которая аккумулируется в макроэргических связях АТФ. Образовавшаяся в процессе дыхания химическая энергия накапливается в митохондриях в виде АТФ и только часть ее выделяется в виде тепловой энергии, бесполезной для растений.

С₆Н₁₂О₆ + 6O₂---> 6CO₂+6H₂O-2785 кДж

3. Значение дыхания:

1. Основная ф-ция - ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ - т.е. в процессе дыхания выделяется большое количество энергии в виде АТФ.

2. ПЛАСТИЧЕСКАЯ ф-ция цикла Кребса. В этом цикле последовательно преобразуются различные органические кислоты: лимонная, изолимонная, яблочная, янтарная, альфа-кетоглютаровая и т.д.

Образованные в цикле Кребса органические кислоты являются источниками для синтеза важных органических соединений.

Пример_1: органические кислоты такие как пировиноградная, ЩУК (щавелеуксусная), альфакетоглютаровая, способны при восстановленном аминировании образовывать аминокислоты - аспарагиновую, глютаминовую, аланиновую, которые идут на синтез белков. В процессе восстановленного аминирования альфакетоглютаровая кислота образуется в глютаминовую кислоту.

Пример_2: в цикле Кребса образуется ацетилкоазин А, который служит источником для синтеза жирных кислот.

Пример_3: в пентозофосфатном цикле образуются пятиуглеродные сахара или пентозы, в частности РДФ (рибулёзадифосфат), который является акцептором углекислого газа для С₃ растений в процессе фотосинтеза а для С₄ растений является ЩУК.

3. Процесс дыхания тесно связан с процессом поглощения элементов минерального питания. Например, при понижении температуры прекращается дыхание, потому что при нарушении дыхания сразу прекращается поглощение элементов питания, т.е. прекращается перенос через мембрану элементов питания, так как перенос через мембрану является высокоэнергозатратным процессом.

4. В процессе дыхания образуется вода, которая называется метаболитической. Эта вода в условиях обезвоживания может использоваться растением и предохраняет его от гибели.

Дата добавления: 2015-05-06