Практикум «Фотосинтез»

Практикум «Фотосинтез» 10 класс

«Дайте самому лучшему повару сколько угодно свежего воздуха, сколько угодно солнечного света и целую речку чистой воды и попросите, чтобы из всего этого он приготовил Вам сахар, крахмал, жиры и зерно, он решит, что вы над ним смеётесь. Но то, что кажется совершенно фантастическим человеку, беспрепятственно совершается в зелёных листьях растений»

К.А.Тимирязев.

Если источником энергии служит свет, то таких автотрофов называют фототрофами, а процесс – фотосинтезом. Фотосинтез – это процесс образования на свету в листьях из углекислого газа и воды органических соединений. Это определение было дано еще в 70-е годы прошлого столетия К.А.Тимирязевым. С точки зрения современной науки процесс фотосинтеза – это совокупность процессов поглощения, превращения и использования световой энергии для образования органических веществ из неорганических.

Уравнение фотосинтеза:

6 СО2+ 6 Н2О= С6 Н12 О6+ 6 О2

1. История открытия фотосинтеза

В течение нескольких веков ученые- биологи пытались разгадать тайну зеленого листа. Долгое время считалось, что рас­тения создают питательные вещества из воды и мине­ральных веществ. Это убеждение было связано с экспе­риментом голландского ученого Яна ванн Гельмонта, проведенным еще в XVII в.

Ученый посадил деревце ивы в кадку, точно измерив его массу — 2,3 кг и массу сухой почвы — 90,8 кг.В течение пяти лет он только поливал растение, ничего не внося в почву. Через пять лет масса дерева увеличилась на 74 кг, тогда как масса почвы уменьшилась лишь на 0,06 кг. Ван Гельмонт сде­лал вывод, что растение образует все вещества из воды. Таким образом, ученый установил одно вещество, ко­торое необходимо растению для фотосинтеза.

Открытие роли зеленого листа в фотосинтезе при­надлежит английскому химику Джозефу Пристли.

В1772 г., изучая значение воздуха для горения веществ и дыхания, он поставил следующий опыт. Он заключал мышь под стеклянный колпак. Через пять часов мышь погибала. Однако при наличии под колпаком ветки мяты она оставалась живой. Отсюда Пристли сделал вывод, что животные своим дыханием делают воздух непригодным для жизнедеятельности организма, а растения своим дыханием восстанавливают его, т. е. делают пригодным для жизнедеятельности. Однако опыт с мышью не всегда удавался. Так впервые была установлена роль зеленых растений. Проводя свои дальнейшие опыты, Пристли обратил внимание, что растения улучшают воздух на свету. Он первым высказал предположение о роли све­та в жизнедеятельности растений.

Каким образом протекает процесс фотосинтеза в растении?

Хлорофилла а в листьях примерно в три раза больше по сравнению с хлорофиллом b.  

Физические, химические и оптические свойства хлорофилла.

Хлорофилл имеет зеленую окраску (из-за присутствия атома Mg), нерастворим в воде, растворим в органических растворителях – спиртах, эфирах и др., но в безводных растворителях нерастворим.

Хлорофилл поглощает почти все красные и сине-фиолетовые лучи. Зеленые лучи поглощаются слабо, чем и обусловливается зеленая окраска растений. 

Механизм и химизм фотосинтеза.

По современным данным фотосинтез включает два типа реакций:

световые (светозависимые) и темновые (не зависящие от света). Световые реакции протекают в пространстве, ограниченном тилакоидами. Темновые проходят в строме хлоропласта.

Световая фаза.

  Первая фаза фотосинтеза носит на­звание световой, так как она протекает только под дей­ствием солнечной энергии. Реакции световой фазы происходят на мембранах тилакоидов, где располага­ется фотосинтезирующий пигмент — хлорофилл

В световую фазу происходит несколько процессов:

возбуждение хлорофилла квантами света и пере­мещение возбужденных электронов;

фотолиз воды под действием света, образование кислорода и протонов водорода;

синтез молекул АТФ за счет энергии возбужден­ных электронов;

соединение водорода с переносчиком НАДФ⁺ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) и образова­ние НАДФ-2Н.

Рассмотрим подробно каждый из этих процессов

1. В составе хлоропластов есть 2 фотосистемы: фотосистема I и фотосистема II..

В фотосистеме I реакционный комплекс поглощает световые лучи с длиной волны 700 нм, в фотосистеме II реакционный комплекс поглощает световые лучи с длиной 680 нм. Квант света падает одновременно на обе фотосистемы, переводя молекулы хлоропластов в возбуждённое состояние:

- Квант света поглощается фотосистемой I (Р700), возбуждённые светом электроны по цепи переносчиков переносятся на НАДФ+ , восстанавливая его в НАДФ•Н2.

- Возникшая в Р700 «Дырка» заполняется возбуждённым под действием света электроном из фотосистемы II (680).

- «Дырка» в фотосистеме II заполняется электронами, образующимися в результате фотолиза воды (разрушение воды под действием света).

H₂O → H⁺ +OH^-

Ионы гидроксила отдают свои электроны, превращаясь в реакционноспособные радикалы ОН:

OH^- -e^- → OH

Образующиеся электроны передаются переносчиками к молекулам хлорофилла и восстанавливают их, а радикалы ОН объединяются, образуя воду и свободный кислород:

4OH→ 2H₂O + O₂↑

 Фотолиз воды идет на внутренней поверхности мембраны тилакоида, которая непроницаема для ионов водорода. Они скапливаются в тилакоидном пространстве, в так называемом Н⁺-резервуаре.

Протоны водорода, образовавшиеся при фотолизе воды, не могут проникнуть через мембрану граны и накапливаются внутри нее, создавая и пополняя Н⁺-резервуар. В результате внутренняя поверхность мембраны граны заряжается положительно (за счет Н⁺ ), а наружная — отрицательно (за счет е^-).

По мере накопления по обе стороны мембраны противоположно заряженных частиц увеличивается разность потенциалов  между «обкладками» этого конденсатора. При достижении критической величины разности потенциалов  сила электрического поля начинает проталкивать протоны через канал АТФ-синтетазы. На выходе из протонного канала создается высокий уровень энергии, которая используется для фосфорилирования имеющихся в строме пластид молекул АДФ:

.

Ионы водорода, оказавшись на наружной поверхности мембраны тилакоида, встречаются там с электронами, образуя атомарный водород, который идет на восстановление специфического переносчика НАД (никотинамидадениндинуклеотидфосфата):

Темновая фаза

Многоступенчатый ферментативный процесс синтеза молекул глюкозы из углекислого газа и водорода с использованием энергии, накопленной в световой фазе.

Энергия макроэргических связей АТФ затрачивается на образование химических связей внутри молекулы глюкозы, поэтому может протекать без участия света.

Необходимая энергия, выработанная в световую фазу будет использоваться для восстановления углекислого газа до молекул глюкозы.

Задание 1..Правильные ответы подчеркните.

1. При расщеплении какого соединения выделяется свободный кислород при фотосинтезе?

а) CO2 б) H2O в) АТФ.

2. Что происходит с АТФ в течение световой стадии?

а) синтез б) расщепление

3. Выберите наиболее важные процессы световой фазы фотосинтеза:

а) возбуждение электронов хлорофилла,

б) синтез молекул АТФ

г) синтез глюкозы

д) фотолиз воды

е) образование свободного кислорода

ж) образование атомов водорода в форме НАДФ•H2.(НАДФ- молекула-переносчик водорода)

з) поглощение углекислого газа

Задание 2. Заполните таблицу «Этапы фотосинтеза»

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/404130-praktikum-fotosintez