Здравствуйте, дорогие мои участники проекта!
Предлагаю вам материал следующего занятия. Сегодня мы начнём рассматривать процессы, происходящие в клетке.
Тема: Автотрофное питание или фотосинтез.
Введение.
Все живые организмы можно рассматривать как потребителей пищи, т.е. веществ и энергии.
Процесс приобретения энергии и вещества называется питанием. Затем мы познакомимся с дыханием, т.е. с тем процессом, с помощью которого живые организмы высвобождают энергию из богатых ею веществ, полученных с пищей. И эти процессы вместе называются метаболизмом.
Энергия не создаётся и не уничтожается (закон сохранения энергии). Она существует в разнообразных формах – может быть световой, химической, тепловой, электрической, механической, звуковой и т. д. И эти формы энергии могут переходить друг в друга, т.е. они взаимопревращаемы. Возьмём простейший пример: когда мы чиркаем спичкой, её химическая энергия превращается сразу в тепловую, световую и звуковую.
Энергию можно определить как способность совершать работу. Все живые организмы можно рассматривать как работающие машины, которые не могут работать и оставаться живыми без постоянного притока энергии. Энергия необходима для того, чтобы осуществлять множество различных жизненно важных процессов. При этом совершается различного рода работа, например:
активный транспорт веществ в клетку и из клетки;
химический синтез веществ, необходимых для роста и восстановления тканей;
электрическая передача нервных импульсов;
механическое сокращение мышц (движение);
поддержание постоянной температуры тела ( у теплокровных организмов);
биолюминесценция, т. е. излучение света (у светлячков, некоторых глубоководных морских животных);
электрические разряды (у морских скатов и электрического угря);
движение ресничек и жгутиков у одноклеточных организмов и многое другое.
Живые организмы можно классифицировать в соответствии с тем, какой источник энергии или углерода они используют. Углерод – это главный элемент, который нужен всем живым организмам.
Источники энергии.
Хотя энергия существует во многих формах, для живых существ пригодны только две из них, а именно световая и химическая энергия. Те организмы, которые синтезируют все необходимые им органические вещества за счёт энергии света, называются фототрофными (фототрофами) (греч. photos – свет, trophe – пища, питание), а те которым для этого нужна химическая энергия, - хемотрофными (хемотрофами). Для фототрофов характерно наличие пигментов (и в том числе какой-либо из форм хлорофилла), которые поглощают энергию света и превращают её в химическую энергию. Другое название процесса фототрофного питания – фотосинтез. (Можете ли вы объяснить, почему живым организмам годятся для использования только эти виды энергии?)
Источники углерода.
Организмы, живущие за счёт неорганического источника углерода (двуокиси углерода), называют автотрофными (автотрофами) (греч. autos - cам), а организмы, использующие органический источник углерода, - гетеротрофными (гетеротрофами) (греч. heteros – другой). В отличие от гетеротрофов автотрофы удовлетворяют все свои потребности в органических веществах, синтезируя их из простых неорганических соединений.
Рассмотрим таблицу, в которой представлены обе эти классификации – по источнику энергии и источнику углерода.
Источник энергии |
Источники углерода |
||
Автотрофные |
Гетеротрофные |
||
Фототрофные (фотосинтезирующие) |
Фотоавтотрофные: все зелёные растения, сине- зелёные водоросли, зелёные и пурпурные серобактерии |
Фотогетеротрофные: немногие организмы, например некоторые пурпурные несерные бактерии |
|
Хемотрофные |
Хемоавтотрофные: немногие бактерии, участвующие в круговороте азота |
Хемогетеротрофные: все животные и грибы, большинство бактерий, некоторые паразитические цветковые растения, например повилика. |
|
Из этой таблицы хорошо видны их взаимоотношения. Кроме того, выявляется ещё один очень важный принцип, а именно то, что хемотрофные организмы целиком зависят от фототрофных, которые поставляют им энергию, а гетеротрофные организмы полностью зависят от автотрофных, снабжающих их соединениями углерода.
Самые важные группы - фотоавтотрофы и хемогетеротрофы. Если на время пренебречь некоторыми бактериями, положение ещё более упростится, и можно будет сказать, что гетеротрофные организмы в конечном счёте зависят от зелёных растений, доставляющим им энергию и углерод. Иногда фотоавтотрофные организмы называют голофитными (греч. holos-целый, полный, phyton- растение).
Игнорируя пока две меньшие группы (см. таблицу), надо сразу отметить, что жизнедеятельность хемосинтезирующих организмов тоже имеет очень важное значение.
Несколько организмов нельзя всецело отнести к какой-то одной из четырёх групп. Так, например, Euglena обычно ведёт себя как автотроф, но некоторые виды могут жить как гетеротрофы и в темноте, если имеется источник органического углерода.
Фотосинтез.
Значение фотосинтеза.
Всё живое на Земле зависит от фотосинтеза – либо непосредственно, либо как в случае животных, косвенно. Фотосинтез делает энергию и углерод доступными для живых организмов и обеспечивает выделение кислорода в атмосферу, что необходимо для всех аэробных форм жизни. А человечество зависит от фотосинтеза ещё и потому, что оно использует ископаемое энергетическое топливо, которое образовалось за многие миллионы лет. Из общего количества солнечной радиации, которое перехватывает наша планета, часть поглощается, отражается и рассеивается в атмосфере, и до поверхности Земли доходит лишь около половины. Из этой половины только 25% лучей имеют длину волны, подходящую для фотосинтеза, и хотя оценки неоднозначны, кажется вероятным, что всего лишь около 0,4% таких лучей используется растениями для чистого прироста биомассы (это примерно 1% той энергии, которая доходит до растений). Именно эта ничтожная доля всей доступной энергии практически и поддерживает жизнь на Земле.
Одно из потенциально возможных применений фотосинтеза – это использование его как альтернативного источника энергии вместо истощающихся природных запасов нефти и газа.
Строение листа.
Лист – главный фотосинтезирующий орган высших растений. Как и у всех других органов, строение и функции тесно взаимосвязаны.
Из уравнения фотосинтеза :
СО2 + Н2О солнечный свет (СН2О)п + О2
хлорофилл
можно сделать вывод, что 1) листьям нужен источник двуокиси углерода и вода; 2) листья должны быть приспособлены к поглощению солнечной энергии, и в них должен быть хлорофилл; 3) как один из отходов будет выделяться кислород; 4) полезный продукт – углерод – должен транспортироваться в другие части растения или откладываться в запас. Лист – весьма специализированный орган, удовлетворяющий всем этим требованиям.
Последнее, на что надо обратить внимание,- это расположение листьев, которые минимально перекрывают друг друга. Такая листовая мозаика особенно заметна у некоторых растений, например у плюща. Выдвижению листьев на свет способствуют ещё два явления – этиоляция (усиленный рост побега в длину в темноте) и фототропизм (рост по направлению к свету).
Хлоропласты.
У эукариот фотосинтез происходит в особых органеллах, называемых хлоропластами. Хлоропласты рассеяны в цитоплазме, их число варьирует от одного примерно до ста. У высших растений хлоропласты на срезе обычно имеют двояковыпуклую форму, а при взгляде сверху выглядит округлыми. Диаметр хлоропластов около 3-10 мкм ( в среднем 5 мкм), так что они хорошо видны в световой микроскоп. Хлоропласты образуются из небольших недифференцированных телец, называемых пропластидами; такие тельца имеются в растущих частях растения ( в клетках меристемы), они окружены двойной мембраной – будущей оболочкой хлоропласта. В хлоропластах всегда содержатся хлорофилл и другие фотосинтетические пигменты, локализованные в системе мембран, которые погружены в основное вещество хлоропласта – строму. Мембранная система – это то место, где протекают световые реакции фотосинтеза. В мембранах находятся хлорофилл и другие пигменты ферменты и переносчики электронов. Вся система состоит из множества плоских, заполненных жидкостью мешочков называемых тилакоидами . Тилакоиды местами уложены в стопки – граны. Отдельные граны соединены друг с другом ламеллами (одиночными слоями). Каждая грана похожа на кучку монет, уложенных столбиками, а ламеллы чаще всего имеют вид пластинок.
В строме происходят темновые реакции фотосинтеза. По своему строению строма напоминает гель; в ней находятся растворимые ферменты, а также другие химические соединения, в частности сахара и органические кислоты.
Фотосинтетичесике пигменты.
Фотосинтетические пигменты высших растений делятся на две группы – хлорофиллы и каротиноиды. Роль этих пигментов состоит в том, чтобы поглощать свет и превращать его энергию в химическую. Пигменты локализованы в мембранах хлоропластов, и хлоропласты обычно располагаются в клетке так, чтобы их мембраны находились под прямым углом к источнику света, что гарантирует его максимальное поглощение.
Главные фотосинтетические пигменты, их цвет и распространение.
Класс пигментов |
Цвет |
Распространение |
Хлорофилл а Хлорофилл b Хлорофилл c Хлорофилл d Бактериохлорофиллы а-d Каротиноиды (каротины и ксантофиллы) Каротины β- каротин Ксантофиллы (весьма разнообразные) |
Желто-зелёный Сине-зелёный Зелёный Бледно-синий Оранжевый |
У всех фотосинтезирующих организмов, кроме фотосинтезирующих бактерий. У высших растений и зелёных водорослей. У бурых водорослей и некоторых одноклеточных водорослей, включая диатомове У некоторых красных водорослей У фотосинтезирующих бактерий (фикобиллины) У всех фотосинтезирующих организмов, кроме фотосинтезирующих бактерий Фукоксантин придает специфическую окраску бурым водорослям. У него очень широкий спектр поглощения. |
Хлорофиллы.
Хлорофиллы поглощают главным образом красный и сине-фиолетовый свет. Зелёный свет они отражают и потому придают растениям характерную зелёную окраску, если только её не маскируют другие пигменты.
На рисунке показано строение хлорофилла. Для него характерно наличие парфиринового кольца. (Такая же структура имеется и в других важных биологических соединениях – гемме гемоглобина, миоглобина, цитохрома). Порфириновое кольцо – это плоская квадратная структура, состоящая из четырёх меньших колец, каждое из которых содержит по одному атому азота, способному взаимодействовать с атомами металлов; в хлорофиллах это магний, в гемме – железо. К такой «голове» присоединён длинный углеводородный «хвост» - сложноэфирная связь соединённая с фитолом.
Связь такой структуры с функцией можно описать следующим образом:
длинный хвост растворим в липидах (т.е. он гидрофобный) и таким образом удерживает молекулу в мембране тилакоида;
голова гидрофильная, и поэтому она обычно лежит на той поверхности мембраны, которая обращена к водной среде стромы;
модификация боковых групп на голове, приводит к изменениям в спектре поглощения, в результате чего меняется и количество поглощаемой энергии света;
поглощение световой энергии головой приводит к эмиссии электронов.
Хлорофилл – а – фотосинтетический пигмент, представленный в наибольшем количестве; это единственный пигмент, который имеется у всех фотосинтезирующих растений и играет у них центральную роль в фотосинтезе. Существует несколько форм этого пигмента (см. таблицу), которые различаются своим положением в мембране тилакоида. Каждая форма слегка отличается от других и по положению максимума поглощения в красной области; например, этот максимум может быть при 670, 680, 690 или 700 нм.
Каротиноиды – это жёлтые, оранжевые, красные или коричневые пигменты, которые сильно поглощают в сине-фиолетовой области. Обычно они замаскированы зелёными хлорофиллами, но хорошо выявляются перед листопадом, т.к. хлорофиллы распадаются первми. Каротиноиды содержатся также в хромопластах некоторых цветков и плодов, яркая окраска которых служит для привлечения насекомых-опылителей или птиц, способствующих распространению семян. Красный цвет кожицы помидоров обусловлен присутствием одного из каратиноидов – ликопина.
Каротиноиды имеют три максимума поглощения в сине-фиолетовой части спектра (450,460, 490нм); они не только функционируют как дополнительные пигменты, но и защищают хлорофилл от избытка света и от окисления кислородом, выделяющимся при фотосинтезе.
Каротины – это углеводороды (С40-соединения). Самым распространённым и самым важным из них является β-каротин, который знаком нам как оранжевый пигмент моркови. Позвоночные животные способны в процессе пищеварения расщеплять молекулу каротина надвое с образованием двух молекул витамина А. Ксантофиллы по химическому строению очень сходны с каротинами и отличаются от них только тем, что содержат кислород.
Возбуждение пигментов светом.
Пигменты это химические соединения, которые поглощают видимый свет, что приводит к переходу некоторых электронов в возбуждённое состояние, т.е. эти электроны поглощают энергию. Чем меньше длина волны, тем выше энергия света и тем больше его способность переводить электроны в возбуждённое состояние. Такое состояние обычно неустойчиво, и вскоре молекула возвращается в своё основное состояние (т.е. исходное низкоэнергетическое состояние), теряя при этом энергию возбуждения. Эта энергия может использоваться разными способами, в том числе на процесс, обратный поглощению света и называемый флуорисценцией.
Во время световых реакций фотосинтеза возбуждённые пигменты теряют электроны, и на их месте в молекулах остаются положительные «дырки», например
Хлорофилл энергия света хлорофилл+ + е.
Всякий потерянный электрон будет принят другой молекулой – так называемым акцептором электрона. Хлорофилл окисляется, а акцептор электрона восстанавливается. Хлорофилл здесь служит донором электрона.
Биохимия фотосинтеза.
Процесс фотосинтеза обычно описывают суммарным уравнением:
6СО2 + 6 Н2О –--------- С6Н12О6 + 6О2
Этим уравнением удобно пользоваться, когда надо показать какие продукты образуются в результате этого процесса, но при этом нельзя забывать, что суммарное отображение многих событий. А события эти протекают в строго определённой последовательности, и надо сказать, они достаточно сложны и до конца не изучены до сих пор.
Процесс фотосинтеза идёт в две стадии или фазы: световую и темновую.
Световые реакции протекают в тилакоидах хлоропластов, а темновые в строме.
Рассмотрим сначала световую стадию. В ней протекают два важных процесса: фотолиз (разложение) воды и фотосинтетическое фосфорилирование (синтезирование молекул АТФ из АДФ и фосфата и восстановление НАДФ до НАДФ*Н2).
Как мы уже знаем, солнечная энергия выделяется порциями или фотонами. Но энергия этих фотонов различна, и зависит от длины волны. Чем больше длина световой волны, тем меньше энергия фотона. Хлорофилл и каротиноиды поглощают лучи видимого спектра, поэтому на нём появляются чёрные полосы в различных участках этого спектра. Хлорофилл поглощает свет в красной области с длиной волны 700-680 нм, каротиноиды: бэта-каротин в области 500-450нм, ксантофилл в области 400- 380 нм
Молекулы хлорофилла располагаются в гранах хлоропластов не беспорядочно, а группами по 250-400 молекул хлорофиллов и каротиноидов, так чтобы поглощать лучи спектра разной длины волны.
Процесс начинается с поглощения фотона молекулой хлорофилла, от которой отрывается электрон, обладающий большой энергией. Такой возбуждённый электрон можно сравнить с камнем, поднятым на большую высоту. Падая, электрон перемещается вдоль цепи молекул-переносчиков, отдавая им свою энергию. Эти моекулы-переносчики называются НАДФ- НИКОТИНАМИДАДЕНИНДИНУКЛЕОТИД ФОСФАТ. Часть энергии падающего электрона может использоваться на восстановление некоторого кол-ва молекул АТФ (фотосинтетическое фосфорилирование)
АДФ + Ф + Е---- АТФ, где Е – энергия электрона.
Но, что интересно, пока на место вылетевшего из хлорофилла электрона не встанет другой, он не может больше функционировать. Поэтому его место занимает электрон воды, которая находится во внутреннем пространстве тилакоида. Здесь же в тилакоиде происходит светосависимое расщепление воды, которое называется ФОТОЛИЗОМ.
При фотолизе вода разлагается на протоны, электроны и кислород.
2Н2О ------ 4Н+ + 4 е + 2О2.
Кислород, образующийся при фотолизе, является побочным продуктом, больше здесь не используется. Он выходит в межклеточное пространство листа, и через устьица в окружающую среду. Протоны же накапливаются во внутреннем пространстве тилакоида.
Итак: в световую фазу фотосинтеза происходит выделение кислорода и фотолиз воды, накопление ионов водорода для следующих процессов.
Затем процесс фотосинтеза перемещается в темновую фазу – в строму хлоропласта, это не значит, что лист перестал освещаться солнечными лучами. Просто для следующих процессов он не нужен поэтому-то эта стадия и называется темновой.
Рассмотрим, что происходит в строме? А здесь идёт процесс синтеза органических веществ.
Все темновые реакции контролируются ферментами. Для образования глюкозы в СО2 есть углерод и кислород не хватает только водорода. Он-то и «прибывает» сюда из световой фазы. На внутренней стороне тилакоида во время световой фазы накапливаются протоны, в результате чего здесь создаётся высокий положительный потенциал. Снаружи тилакоида имеются свободные электроны. Когда на мембране разность потенциалов достигает критического значения, около 200 мВ, открывается пора в ферменте, встроенном в мембрану тилакоида (фермент называется АТФ-синтетаза). Протоны устремляются по протонному каналу в ферменте наружу - в строму. Там они встречаются с электронами и молекулами-переносчиками. В результате этой встречи происходит следующее:
2Н+ + 4е + НАДФ+ -------- НАДФ* Н2. Это энергетическая система для включения водорода в химический процесс образования глюкозы. Сам СО2 переносится с строме специальным ферментом ( пятиуглеродным сахаром РИБУЛОЗОДИФОСФАТ) Процесс образования глюкозы достаточно сложен. Он представляет собой цикл, т.е. молекулы СО2 присоединяются к водороду не сразу, а последовательно. Для образования одной молекулы глюкозы необходимо 6 оборотов цикла, при этом затрачивается 6 молекул СО2, 12 молекул НАДФ Н2 и 18 молекул АТФ.
Темновая стадия фотосинтеза была изучена и описана американским учёным Кальвином в период с 1946 по 1953 годы. В 1961 г. за эту работу ему была присуждена Нобелевская премия. И сейчас реакции темновой фазы фотосинтеза называют циклом Кальвина.
Предлагаю вам выполнить следующие задания:
1. Ответить на вопрос, заданный в начале изложения теоретического материала.
2. Найти названия всех пигментов, входящих в состав растительных организмов, участвующих в процессе фотосинтеза.
3. Выполнить тестовое задание.
1. Некоторые структурные компоненты эукариотической клетки имеют две мембраны. Назовите один из таких компонентов.
А) оболочка клетки Б) клеточный центр В) хлоропласты Г) аппарат Гольджи Д) рибосома Е) вакуоль
2. Какой органоид содержит граны?
А) митохондрия Б) хлоропласт В) микротрубочка Г) эндоплазматическая сеть Д) лизосома Е) хроматофор
3. Назовите участок хлоропласта, в котором происходят реакции световой фазы фотосинтеза.
А) граны Б) наружная мембрана В) строма (содержимое пространства между гранами и внутренней мембраной)
4. Назовите один из органоидов, внутри которых имеются рибосомы, благодаря чему эти органоиды способны к синтезу белков.
А) аппарат Гольджи Б) хлоропласт В) мезосома Г) гладкая ЭПС
5. Какой из нижеперечисленных процессов происходит в темновую фазу фотосинтеза?
А) образование глюкозы Б) синтез АТФ В) фотолиз воды Г) образование НАДФ * Н
6. Назовите особенность обмена веществ некоторых организмов, по наличию которой их называют гетеротрофными.
А) синтезируют органические вещества из неорганических Б) расщепляют органические вещества до неорганических В) синтезируют новые органические вещества, преобразуя органические вещества других организмов
7. Назовите моносахарид, входящий в состав молекулы АТФ.
А) дезоксирибоза Б) рибоза В) глюкоза Г) фруктоза
8. Какой из нижеперечисленных процессов происходит в световую фазу фотосинтеза?
А) образование глюкозы Б) синтез АТФ В) фиксация (захват) СО2 рибулозодифосфатом
9. Определите признак (свойство), по которому все нижеперечисленные биохимические процессы, кроме одного, объединены в одну группу. Укажите «лишний» процесс.
А) фотосинтез Б) брожение В) хемосинтез Г) транскрипция Д) редупликация Е) трансляция
10.При фотосинтезе и клеточном (тканевом) дыхании через фермент АТФ-синтетазу проходит ион, придающий этому ферменту способность синтезировать АТФ. Назовите этот ион.
А) Н+ Б) ОН- В) Са2+ Г) Na+ Д) К+
11.Назовите вещество, участвующее в фотосинтезе и являющееся источником кислорода – побочного продукта фотосинтеза.
А) глюкоза Б) СО2 В) вода Г) сахароза
12.В темновую фазу фотосинтеза происходит ряд специфических процессов. Назовите один из них.
А) фотолиз воды Б) перенос электронов по электротранспортной сети В) синтез АТФ Г) захват СО2 рибулозодифосфатом Г) образование НАДФ * Н
13.Назовите в хлоропласте участок, где происходят реакции световой фазы фотосинтеза.
А) наружная мембрана оболочки Б) вся внутренняя мембрана оболочки В) всё межмембранное пространство оболочки Г) граны Д) строма (содержимое пространства между гранами и внутренней мембраной)
14.Назовите один из процессов, происходящих в световую фазу фотосинтеза.
А) образование глюкозы Б) фиксация (захват) СО2 рибулозодифосфатом В) фотолиз воды
15.Укажите автотрофный организм.
А) азотфиксирующая клубеньковая бактерия Б) гриб подберёзовик В) клоп Г) сосна
16.Назовите в хлоропласте участок, где происходят реакции тёмновой фазы фотосинтеза.
А) наружная мембрана оболочки Б) внутренняя мембрана оболочки В) межмембранное пространство оболочки Г) граны Д) строма (содержимое пространства между гранами и внутренней мембраной)
17.Назовите особенность обмена веществ, по наличию которой организмы называют автотрофными.
А) образуют большое количество АТФ Б) синтезируют органические вещества из неорганических В) синтезируют АТФ, расщепляя и преобразуя органические вещества Г) расщепляют органические вещества до неорганических
18.Укажите гетеротрофный организм.
А) берёза Б) гриб мукор В) сине-зелёная водоросль Г) железобактерия
Задания с выбором нескольких правильных ответов.
1. В осуществлении процесса фотосинтеза могут участвовать пигменты:
А) каратиноиды Б) хлорофиллы В) фикобиллины Г) цитохромы Д) фитохромы.
2. В процессе фотосинтеза НАДФ+ является:
А)исходным соединением (веществом) для реакций, вызываемых светом Б) конечным продуктом реакций, вызываемых светом В) промежуточным продуктом реакций, вызываемых светом Г) исходным соединением (веществом) для фиксации углерода Д) конечным продуктом фиксации углерода.
3. В растительной клетке двойную мембрану имеет:
А) ядро Б) митохондрия В) лизосома Г) вакуоль Д) хлоропласт.
Смотрите также: