Es gibt drei Arten von Plastiden:

• Chloroplasten- grün, Funktion - Photosynthese
• Chromoplasten- rot und gelb, sind baufällige Chloroplasten, können den Blütenblättern und Früchten eine leuchtende Farbe verleihen.
• Leukoplasten- farblos, Funktion - Stoffvorrat.

Die Struktur der Chloroplasten

mit zwei Membranen bedeckt. Die äußere Membran ist glatt, die innere hat Auswüchse im Inneren - Thylakoide. Stapel von kurzen Thylakoiden werden genannt Körner vergrößern sie die Fläche der inneren Membran, um darauf möglichst viele Photosynthese-Enzyme unterzubringen.

Die innere Umgebung des Chloroplasten wird als Stroma bezeichnet. Es enthält zirkuläre DNA und Ribosomen, aufgrund derer Chloroplasten einige der Proteine ​​​​unabhängig für sich selbst herstellen, daher werden sie als halbautonome Organellen bezeichnet. (Es wird angenommen, dass frühere Plastiden freie Bakterien waren, die von einer großen Zelle aufgenommen, aber nicht verdaut wurden.)

Photosynthese (einfach)

In grünen Blättern im Licht
In Chloroplasten mit Chlorophyll
Aus Kohlendioxid und Wasser
Glukose und Sauerstoff werden synthetisiert.

Photosynthese (mittlerer Schwierigkeitsgrad)

1. Lichtphase.
Kommt im Licht in den Körnern von Chloroplasten vor. Unter Lichteinwirkung kommt es zur Zersetzung (Photolyse) von Wasser, es entsteht Sauerstoff, der emittiert wird, sowie Wasserstoffatome (NADP-H) und ATP-Energie, die im nächsten Schritt verwendet werden.

2. Dunkelphase.
Es tritt sowohl im Licht als auch im Dunkeln (Licht wird nicht benötigt) im Stroma von Chloroplasten auf. Aus Kohlendioxid, das aus der Umgebung gewonnen wird, und Wasserstoffatomen, die in der vorherigen Stufe gewonnen wurden, wird Glucose aufgrund der Energie von ATP synthetisiert, die in der vorherigen Stufe gewonnen wurde.

1. Stellen Sie eine Entsprechung zwischen dem Prozess der Photosynthese und der Phase her, in der sie stattfindet: 1) hell, 2) dunkel. Schreibe die Zahlen 1 und 2 in der richtigen Reihenfolge auf.
A) die Bildung von NADP-2H-Molekülen
B) Freisetzung von Sauerstoff
C) Synthese eines Monosaccharids
D) Synthese von ATP-Molekülen
D) die Zugabe von Kohlendioxid zu einem Kohlenhydrat

Antworten

2. Stellen Sie eine Entsprechung zwischen dem Merkmal und der Phase der Photosynthese her: 1) hell, 2) dunkel. Schreibe die Zahlen 1 und 2 in der richtigen Reihenfolge auf.
A) Photolyse von Wasser
B) Kohlendioxidfixierung
C) Spaltung von ATP-Molekülen
D) Anregung von Chlorophyll durch Lichtquanten
D) Glukosesynthese

Antworten

3. Stellen Sie eine Entsprechung zwischen dem Prozess der Photosynthese und der Phase her, in der sie stattfindet: 1) hell, 2) dunkel. Schreiben Sie die Zahlen 1 und 2 in der richtigen Reihenfolge.
A) die Bildung von NADP * 2H-Molekülen
B) Freisetzung von Sauerstoff
B) Glukosesynthese
D) Synthese von ATP-Molekülen
D) Kohlendioxidrückgewinnung

Antworten

4. Stellen Sie eine Entsprechung zwischen den Prozessen und der Phase der Photosynthese her: 1) hell, 2) dunkel. Notieren Sie die Zahlen 1 und 2 in der Reihenfolge, die den Buchstaben entspricht.
A) Polymerisation von Glucose
B) Kohlendioxidbindung
B) ATP-Synthese
D) Photolyse von Wasser
E) die Bildung von Wasserstoffatomen
E) Glukosesynthese

Antworten

5. Stellen Sie eine Entsprechung zwischen den Phasen der Photosynthese und ihren Eigenschaften her: 1) hell, 2) dunkel. Notieren Sie die Zahlen 1 und 2 in der Reihenfolge, die den Buchstaben entspricht.
A) Es wird eine Photolyse von Wasser durchgeführt
B) ATP wird gebildet
B) Sauerstoff wird in die Atmosphäre freigesetzt
D) verfährt mit dem Verbrauch von ATP-Energie
D) Reaktionen können sowohl im Licht als auch im Dunkeln stattfinden.

Antworten

6 Sa. Stellen Sie eine Entsprechung zwischen den Phasen der Photosynthese und ihren Eigenschaften her: 1) hell, 2) dunkel. Notieren Sie die Zahlen 1 und 2 in der Reihenfolge, die den Buchstaben entspricht.
A) Wiederherstellung von NADP +
B) Transport von Wasserstoffionen durch die Membran
B) findet in den Körnern von Chloroplasten statt
D) Kohlenhydratmoleküle werden synthetisiert
D) Chlorophyllelektronen bewegen sich auf ein höheres Energieniveau
E) ATP-Energie wird verbraucht

Antworten

FORMEN 7:
A) Bewegung angeregter Elektronen
B) Umwandlung von NADP-2R zu NADP+

Analysieren Sie die Tabelle. Füllen Sie die leeren Zellen der Tabelle mit den Konzepten und Begriffen aus der Liste aus. Wählen Sie für jede mit Buchstaben versehene Zelle den entsprechenden Begriff aus der bereitgestellten Liste aus.
1) Thylakoidmembranen
2) Lichtphase
3) Fixierung von anorganischem Kohlenstoff
4) Wasserphotosynthese
5) Dunkelphase
6) Zytoplasma der Zelle

Antworten

Analysieren Sie die Tabelle "Reaktionen der Photosynthese". Wählen Sie für jeden Buchstaben den passenden Begriff aus der bereitgestellten Liste aus.
1) oxidative Phosphorylierung
2) Oxidation von NADP-2H
3) Thylakoidmembranen
4) Glykolyse
5) Zugabe von Kohlendioxid zu Pentose
6) Sauerstoffbildung
7) die Bildung von Ribulosediphosphat und Glucose
8) Synthese von 38 ATP

Antworten

Wählen Sie drei Optionen. Die Dunkelphase der Photosynthese ist gekennzeichnet durch
1) der Ablauf von Prozessen an den inneren Membranen von Chloroplasten
2) Glukosesynthese
3) Kohlendioxidfixierung
4) der Ablauf von Prozessen im Stroma von Chloroplasten
5) das Vorhandensein von Wasserphotolyse
6) die Bildung von ATP

Antworten

1. Die unten aufgeführten Zeichen, mit Ausnahme von zwei, werden verwendet, um die Struktur und Funktionen des abgebildeten Zellorganoids zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Zeichen, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angezeigt werden.

2) akkumuliert ATP-Moleküle
3) bietet Photosynthese

5) hat Halbautonomie

Antworten

2. Alle unten aufgeführten Zeichen, mit Ausnahme von zwei, können verwendet werden, um das in der Abbildung gezeigte Zellorganoid zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Zeichen, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angezeigt werden.
1) Einmembran-Organoid
2) besteht aus Cristae und Chromatin
3) enthält zirkuläre DNA
4) synthetisiert sein eigenes Protein
5) teilungsfähig

Antworten

Alle nachstehenden Merkmale, mit Ausnahme von zwei, können verwendet werden, um die Struktur und Funktionen des Chloroplasten zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Zeichen, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angezeigt werden.
1) ist ein Zweimembran-Organoid
2) hat ein eigenes geschlossenes DNA-Molekül
3) ist ein halbautonomes Organoid
4) bildet eine Teilungsspindel
5) gefüllt mit Zellsaft mit Saccharose

Antworten

Wählen Sie eine, die richtigste Option. Zellorganelle, die ein DNA-Molekül enthält
1) Ribosom
2) Chloroplasten
3) Zellzentrum
4) Golgi-Komplex

Antworten

Wählen Sie eine, die richtigste Option. An der Synthese welcher Substanz sind Wasserstoffatome in der Dunkelphase der Photosynthese beteiligt?
1) NADF-2N
2) Glukose
3) ATP
4) Wasser

Antworten

Alle folgenden Zeichen bis auf zwei können verwendet werden, um die Prozesse der Lichtphase der Photosynthese zu bestimmen. Identifizieren Sie zwei Zeichen, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angezeigt werden.
1) Photolyse von Wasser


4) Bildung von molekularem Sauerstoff

Antworten

Wählen Sie aus fünf Antworten zwei richtige aus und schreiben Sie die Zahlen auf, unter denen sie angegeben sind. In der Lichtphase der Photosynthese in der Zelle
1) Sauerstoff entsteht durch die Zersetzung von Wassermolekülen
2) Kohlenhydrate werden aus Kohlendioxid und Wasser synthetisiert
3) Die Polymerisation von Glucosemolekülen erfolgt bei der Bildung von Stärke
4) ATP-Moleküle werden synthetisiert
5) Die Energie von ATP-Molekülen wird für die Synthese von Kohlenhydraten aufgewendet

Antworten

Wählen Sie eine, die richtigste Option. Welche Zellorganelle enthält DNA
1) Vakuole
2) Ribosom
3) Chloroplasten
4) Lysosom

Antworten

Fügen Sie im Text „Synthese organischer Substanzen in einer Pflanze“ die fehlenden Begriffe aus der vorgeschlagenen Liste ein und verwenden Sie dafür digitale Symbole. Notieren Sie die gewählten Zahlen in der Reihenfolge, die den Buchstaben entspricht. Pflanzen speichern die Energie, die sie zum Überleben benötigen, in Form von organischer Substanz. Diese Substanzen werden während __________ (A) synthetisiert. Dieser Prozess findet in Blattzellen in __________ (B) - speziellen grünen Plastiden - statt. Sie enthalten eine spezielle grüne Substanz - __________ (B). Voraussetzung für die Bildung organischer Stoffe neben Wasser und Kohlendioxid ist __________ (D).
Begriffsliste:
1) Atmung
2) Verdunstung
3) Leukoplast
4) Essen
5) Licht
6) Photosynthese
7) Chloroplasten
8) Chlorophyll

Antworten

Wählen Sie eine, die richtigste Option. In Zellen findet die primäre Synthese von Glukose statt
1) Mitochondrien
2) Endoplasmatisches Retikulum
3) Golgi-Komplex
4) Chloroplasten

Antworten

Wählen Sie eine, die richtigste Option. Sauerstoffmoleküle im Prozess der Photosynthese entstehen durch die Zersetzung von Molekülen
1) Kohlendioxid
2) Glukose
3) ATP
4) Wasser

Antworten

Wählen Sie eine, die richtigste Option. Sind die folgenden Aussagen zur Photosynthese richtig? A) In der Lichtphase wird die Lichtenergie in die Energie der chemischen Bindungen von Glucose umgewandelt. B) Dunkelphasenreaktionen finden an Thylakoidmembranen statt, in die Kohlendioxidmoleküle eindringen.
1) nur A ist wahr
2) nur B ist wahr
3) Beide Aussagen sind richtig
4) Beide Urteile sind falsch

Antworten

1. Stellen Sie die richtige Reihenfolge der Prozesse ein, die während der Photosynthese ablaufen. Notieren Sie die Nummern, unter denen sie in der Tabelle angegeben sind.
1) Verwendung von Kohlendioxid
2) Sauerstoffbildung
3) Synthese von Kohlenhydraten
4) Synthese von ATP-Molekülen
5) Anregung von Chlorophyll

Antworten

2. Stellen Sie die richtige Reihenfolge der Photosyntheseprozesse ein.
1) Umwandlung von Sonnenenergie in ATP-Energie
2) die Bildung angeregter Chlorophyllelektronen
3) Kohlendioxidfixierung
4) Stärkebildung
5) Umwandlung von ATP-Energie in Glukoseenergie

Antworten

3. Stellen Sie die Reihenfolge der Prozesse ein, die während der Photosynthese ablaufen. Notieren Sie die entsprechende Zahlenfolge.

2) ATP-Abbau und Energiefreisetzung
3) Glukosesynthese
4) Synthese von ATP-Molekülen
5) Anregung von Chlorophyll

Antworten

Wählen Sie drei Merkmale der Struktur und Funktion von Chloroplasten aus
1) innere Membranen bilden Cristae
2) Viele Reaktionen finden in Körnern statt
3) Glukosesynthese findet in ihnen statt
4) sind der Ort der Lipidsynthese
5) bestehen aus zwei verschiedenen Teilchen
6) Zweimembranorganellen

Antworten

Identifizieren Sie drei wahre Aussagen aus der allgemeinen Liste und schreiben Sie die Nummern auf, unter denen sie in der Tabelle angegeben sind. Während der Lichtphase der Photosynthese
1) Photolyse von Wasser
2) Reduktion von Kohlendioxid zu Glucose
3) die Synthese von ATP-Molekülen aufgrund der Energie des Sonnenlichts
4) die Kombination von Wasserstoff mit dem Träger NADP +
5) die Verwendung von Energie von ATP-Molekülen für die Synthese von Kohlenhydraten

Antworten

Alle der unten aufgeführten Merkmale, bis auf zwei, können verwendet werden, um die Lichtphase der Photosynthese zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Zeichen, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angezeigt werden.
1) Es entsteht ein Nebenprodukt - Sauerstoff
2) tritt im Stroma des Chloroplasten auf
3) Kohlendioxidbindung
4) ATP-Synthese
5) Photolyse von Wasser

Antworten

Wählen Sie eine, die richtigste Option. Der Prozess der Photosynthese sollte als eines der wichtigsten Glieder im Kohlenstoffkreislauf in der Biosphäre betrachtet werden, da während dessen
1) Pflanzen beziehen Kohlenstoff aus der unbelebten Natur in das Leben ein
2) Pflanzen geben Sauerstoff in die Atmosphäre ab
3) Organismen setzen während der Atmung Kohlendioxid frei
4) Die industrielle Produktion reichert die Atmosphäre mit Kohlendioxid an

Antworten

Stellen Sie eine Entsprechung zwischen den Phasen des Prozesses und den Prozessen her: 1) Photosynthese, 2) Proteinbiosynthese. Schreibe die Zahlen 1 und 2 in der richtigen Reihenfolge auf.
A) Freisetzung von freiem Sauerstoff
B) die Bildung von Peptidbindungen zwischen Aminosäuren
C) mRNA-Synthese auf DNA
D) Übersetzungsprozess
D) Wiederherstellung von Kohlenhydraten
E) Umwandlung von NADP + zu NADP 2H

Antworten

Wählen Sie die am Prozess der Photosynthese beteiligten Zellorganellen und ihre Strukturen aus.
1) Lysosomen
2) Chloroplasten
3) Thylakoide
4) Körner
5) Vakuolen
6) Ribosomen

Antworten

Die unten aufgeführten Begriffe, mit Ausnahme von zwei, werden verwendet, um Plastiden zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Begriffe, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie in der Tabelle aufgeführt sind.
1) Farbstoff
2) Glykokalyx
3) Oma
4) Krista
5) Thylakoid

Antworten

Antworten

Alle der folgenden Merkmale, bis auf zwei, können verwendet werden, um den Prozess der Photosynthese zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Merkmale, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie als Antwort die Nummern, unter denen sie angegeben sind.
1) Zur Durchführung des Prozesses wird Lichtenergie verwendet.
2) Der Prozess findet in Gegenwart von Enzymen statt.
3) Die zentrale Rolle in diesem Prozess gehört dem Chlorophyllmolekül.
4) Der Prozess wird vom Abbau des Glukosemoleküls begleitet.
5) Der Vorgang kann in prokaryotischen Zellen nicht ablaufen.

Antworten

Die unten aufgeführten Konzepte, mit Ausnahme von zwei, werden verwendet, um die Dunkelphase der Photosynthese zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Begriffe, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angegeben sind.
1) Kohlendioxidfixierung
2) Photolyse
3) Oxidation von NADP 2H
4) grana
5) Stroma

Antworten

Die unten aufgeführten Zeichen, mit Ausnahme von zwei, werden verwendet, um die Struktur und Funktionen des abgebildeten Zellorganoids zu beschreiben. Identifizieren Sie zwei Zeichen, die aus der allgemeinen Liste „herausfallen“, und notieren Sie die Nummern, unter denen sie angezeigt werden.
1) spaltet Biopolymere in Monomere
2) akkumuliert ATP-Moleküle
3) bietet Photosynthese
4) bezieht sich auf Zweimembranorganellen
5) hat Halbautonomie

Antworten

Stellen Sie eine Entsprechung zwischen den Prozessen und ihrer Lokalisation in Chloroplasten her: 1) Stroma, 2) Thylakoid. Notieren Sie die Zahlen 1 und 2 in der Reihenfolge, die den Buchstaben entspricht.
A) die Verwendung von ATP
B) Photolyse von Wasser
B) Anregung von Chlorophyll
D) die Bildung von Pentose
D) Elektronentransfer entlang der Enzymkette

Antworten

© D. V. Pozdnyakov, 2009-2019

Haben Sie sich jemals gefragt, wie viele lebende Organismen es auf der Erde gibt?! Und schließlich müssen sie alle Sauerstoff einatmen, um Energie zu erzeugen, und Kohlendioxid ausatmen. Das ist der Hauptgrund für ein Phänomen wie die Verstopfung im Raum. Es findet statt, wenn sich viele Personen darin befinden und der Raum längere Zeit nicht belüftet wird. Darüber hinaus füllen Industrieanlagen, private Autos und öffentliche Verkehrsmittel die Luft mit giftigen Stoffen.

Angesichts des Vorstehenden stellt sich eine völlig logische Frage: Wie sind wir dann nicht erstickt, wenn alle Lebewesen eine Quelle von giftigem Kohlendioxid sind? Der Retter aller Lebewesen in dieser Situation ist die Photosynthese. Was ist dieser Prozess und warum ist er notwendig?

Sein Ergebnis ist die Anpassung des Gleichgewichts von Kohlendioxid und die Sättigung der Luft mit Sauerstoff. Ein solcher Prozess ist nur Vertretern der Pflanzenwelt, dh Pflanzen, bekannt, da er nur in ihren Zellen stattfindet.

Die Photosynthese selbst ist ein äußerst komplexer Vorgang, der von bestimmten Bedingungen abhängig ist und in mehreren Stufen abläuft.

Konzeptdefinition

Nach wissenschaftlicher Definition werden in autotrophen Organismen durch Sonneneinstrahlung auf zellulärer Ebene in organische umgewandelt.

In einer verständlicheren Sprache ist die Photosynthese ein Prozess, bei dem Folgendes auftritt:

1. Die Pflanze ist mit Feuchtigkeit gesättigt. Die Feuchtigkeitsquelle kann Wasser aus dem Boden oder feuchte tropische Luft sein.
2. Es gibt eine Reaktion von Chlorophyll (einer speziellen Substanz, die in der Pflanze enthalten ist) auf die Einwirkung von Sonnenenergie.
3. Die Bildung der für Vertreter der Flora notwendigen Nahrung, die sie auf heterotrophem Weg nicht selbst beschaffen können, deren Produzent sie jedoch selbst sind. Mit anderen Worten, Pflanzen essen, was sie produzieren. Dies ist das Ergebnis der Photosynthese.

Bühne eins

Fast jede Pflanze enthält eine grüne Substanz, dank der sie Licht absorbieren kann. Diese Substanz ist nichts anderes als Chlorophyll. Sein Standort sind Chloroplasten. Aber Chloroplasten befinden sich im Stammteil der Pflanze und ihren Früchten. Aber die Blattphotosynthese ist in der Natur besonders verbreitet. Da letzteres recht einfach aufgebaut ist und eine relativ große Oberfläche hat, ist der Energieaufwand für den Rettungsvorgang deutlich größer.

Wenn Licht vom Chlorophyll absorbiert wird, befindet sich dieses in einem angeregten Zustand und überträgt seine Energiebotschaften auf andere organische Moleküle der Pflanze. Die größte Menge dieser Energie geht an die Teilnehmer am Prozess der Photosynthese.

Stufe zwei

Die Bildung der Photosynthese in der zweiten Stufe erfordert nicht die obligatorische Beteiligung von Licht. Es besteht in der Bildung chemischer Bindungen unter Verwendung von giftigem Kohlendioxid, das aus Luftmassen und Wasser gebildet wird. Es gibt auch eine Synthese vieler Substanzen, die die vitale Aktivität von Vertretern der Flora gewährleisten. Dies sind Stärke und Glukose.

In Pflanzen dienen solche organischen Elemente als Nahrungsquelle für einzelne Pflanzenteile und gewährleisten gleichzeitig den normalen Ablauf von Lebensvorgängen. Solche Substanzen werden auch von Vertretern der Fauna gewonnen, die Pflanzen als Nahrung fressen. Der menschliche Körper wird mit diesen Stoffen über die Nahrung gesättigt, die in der täglichen Ernährung enthalten ist.

Was? Woher? Wenn?

Damit organische Stoffe organisch werden, müssen geeignete Bedingungen für die Photosynthese geschaffen werden. Für den betrachteten Prozess wird zunächst einmal Licht benötigt. Wir sprechen von künstlichem und Sonnenlicht. In der Natur ist die Pflanzenaktivität normalerweise durch Intensität im Frühjahr und Sommer gekennzeichnet, dh wenn ein großer Bedarf an Sonnenenergie besteht. Was kann man über die Herbstsaison nicht sagen, wenn es immer weniger Licht gibt, wird der Tag kürzer. Infolgedessen wird das Laub gelb und fällt dann vollständig ab. Aber sobald die ersten Frühlingssonnenstrahlen scheinen, steigt grünes Gras auf, Chlorophylle nehmen ihre Aktivität sofort wieder auf und die aktive Produktion von Sauerstoff und anderen lebenswichtigen Nährstoffen beginnt.

Zu den Bedingungen der Photosynthese gehört nicht nur das Vorhandensein von Licht. Feuchtigkeit sollte auch ausreichen. Schließlich nimmt die Pflanze zuerst Feuchtigkeit auf und dann beginnt eine Reaktion unter Beteiligung von Sonnenenergie. Das Ergebnis dieses Prozesses ist die Nahrung der Pflanzen.

Nur in Gegenwart von grüner Substanz findet Photosynthese statt. haben wir oben bereits erwähnt. Sie fungieren als eine Art Leiter zwischen Licht- oder Sonnenenergie und der Pflanze selbst und sorgen für den richtigen Ablauf ihres Lebens und ihrer Aktivität. Grüne Substanzen haben die Fähigkeit, viele Sonnenstrahlen zu absorbieren.

Auch Sauerstoff spielt eine bedeutende Rolle. Damit die Photosynthese gelingt, brauchen Pflanzen viel davon, denn es enthält nur 0,03 % Kohlensäure. Das bedeutet, dass aus 20.000 m 3 Luft 6 m 3 Säure gewonnen werden können. Letztere Substanz ist der Hauptausgangsstoff für Glukose, die wiederum ein lebensnotwendiger Stoff ist.

Es gibt zwei Phasen der Photosynthese. Die erste heißt hell, die zweite dunkel.

Was ist der Mechanismus der Lichtstufe

Das Lichtstadium der Photosynthese hat einen anderen Namen - photochemisch. Die Hauptakteure in dieser Phase sind:

• Energie der Sonne;
• verschiedene Pigmente.

Bei der ersten Komponente ist alles klar, es ist Sonnenlicht. Aber was Pigmente sind, weiß nicht jeder. Sie sind grün, gelb, rot oder blau. Chlorophylle der Gruppen „A“ und „B“ gehören zu Grün, Phycobiline zu Gelb bzw. Rot/Blau. Photochemische Aktivität unter den Teilnehmern in diesem Stadium des Prozesses wird nur durch Chlorophylle "A" gezeigt. Der Rest spielt eine ergänzende Rolle, deren Kern darin besteht, Lichtquanten zu sammeln und zum photochemischen Zentrum zu transportieren.

Da Chlorophyll mit der Fähigkeit ausgestattet ist, Sonnenenergie bei einer bestimmten Wellenlänge effizient zu absorbieren, wurden die folgenden photochemischen Systeme identifiziert:

Photochemisches Zentrum 1 (grüne Substanzen der Gruppe "A") - Pigment 700 ist in der Zusammensetzung enthalten und absorbiert Lichtstrahlen, deren Länge ungefähr 700 nm beträgt. Dieses Pigment spielt eine grundlegende Rolle bei der Herstellung von Produkten der Lichtstufe der Photosynthese.

Photochemisches Zentrum 2 (grüne Substanzen der Gruppe "B") - Die Zusammensetzung enthält das Pigment 680, das Lichtstrahlen mit einer Länge von 680 nm absorbiert. Er spielt die Rolle des zweiten Plans, der darin besteht, die vom photochemischen Zentrum 1 verlorenen Elektronen wieder aufzufüllen. Dies wird durch die Hydrolyse der Flüssigkeit erreicht.

Für 350-400 Pigmentmoleküle, die Lichtströme in den Photosystemen 1 und 2 konzentrieren, gibt es nur ein Pigmentmolekül, das photochemisch aktiv ist - Chlorophyll der Gruppe A.

Was ist los?

1. Die von der Pflanze absorbierte Lichtenergie wirkt auf das darin enthaltene Pigment 700, das vom Normalzustand in den angeregten Zustand übergeht. Das Pigment verliert ein Elektron, wodurch ein sogenanntes Elektronenloch entsteht. Außerdem kann das Pigmentmolekül, das ein Elektron verloren hat, als sein Akzeptor, dh die Seite, die das Elektron empfängt, fungieren und seine Form zurückgeben.

2. Der Prozess der Flüssigkeitszersetzung im photochemischen Zentrum des lichtabsorbierenden Pigments 680 des Photosystems 2. Bei der Zersetzung von Wasser werden Elektronen gebildet, die zunächst von einer Substanz wie Cytochrom C550 aufgenommen und mit dem Buchstaben Q bezeichnet werden. Dann , aus dem Cytochrom, treten Elektronen in die Trägerkette ein und werden zum photochemischen Zentrum 1 transportiert, um das Elektronenloch aufzufüllen, das das Ergebnis des Eindringens von Lichtquanten und des Reduktionsprozesses von Pigment 700 war.

Es gibt Fälle, in denen ein solches Molekül ein Elektron zurückerhält, das mit dem vorherigen identisch ist. Dabei wird Lichtenergie in Form von Wärme freigesetzt. Aber fast immer verbindet sich ein negativ geladenes Elektron mit speziellen Eisen-Schwefel-Proteinen und wird entlang einer der Ketten auf das Pigment 700 übertragen oder tritt in eine andere Trägerkette ein und vereinigt sich wieder mit einem permanenten Akzeptor.

Bei der ersten Variante handelt es sich um einen zyklischen Transport eines Elektrons geschlossener Art, bei der zweiten um einen nicht-zyklischen.

Beide Prozesse werden durch dieselbe Kette von Elektronenträgern in der ersten Stufe der Photosynthese katalysiert. Es ist jedoch erwähnenswert, dass während der Photophosphorylierung des zyklischen Typs der Anfangs- und gleichzeitig der Endpunkt des Transports Chlorophyll ist, während der nicht zyklische Transport den Übergang der grünen Substanz der Gruppe "B" zu Chlorophyll "A" impliziert. .

Merkmale des zyklischen Transports

Zyklische Phosphorylierung wird auch als Photosynthese bezeichnet. Als Ergebnis dieses Prozesses werden ATP-Moleküle gebildet. Dieser Transport basiert auf der Rückkehr von Elektronen in einem angeregten Zustand zum Pigment 700 über mehrere aufeinanderfolgende Stufen, wodurch Energie freigesetzt wird, die an der Arbeit des phosphorylierenden Enzymsystems zum Zweck der weiteren Akkumulation in ATP-Phosphat teilnimmt Fesseln. Das heißt, Energie wird nicht dissipiert.

Die zyklische Phosphorylierung ist die primäre Reaktion der Photosynthese, die auf der Technologie der Erzeugung chemischer Energie auf den Membranoberflächen von Chloroplasten-Thylaktoiden durch die Nutzung von Sonnenenergie basiert.

Ohne photosynthetische Phosphorylierung sind Assimilationsreaktionen nicht möglich.

Die Nuancen des Transports nicht zyklischer Art

Der Prozess besteht in der Wiederherstellung von NADP+ und der Bildung von NADP*H. Der Mechanismus beruht auf der Übertragung eines Elektrons auf Ferredoxin, seiner Reduktionsreaktion und dem anschließenden Übergang zu NADP+ mit weiterer Reduktion zu NADP*H.

Infolgedessen werden die Elektronen, die das Pigment 700 verloren haben, durch die Elektronen des Wassers wieder aufgefüllt, das sich unter Lichtstrahlen im Photosystem 2 zersetzt.

Der nicht zyklische Weg der Elektronen, dessen Fluss auch die Lichtphotosynthese impliziert, erfolgt durch die Wechselwirkung beider Photosysteme miteinander, verbindet ihre Elektronentransportketten. Lichtenergie lenkt den Elektronenfluss zurück. Beim Transport vom photochemischen Zentrum 1 zum Zentrum 2 verlieren Elektronen einen Teil ihrer Energie durch Akkumulation als Protonenpotential auf der Membranoberfläche von Thylactoiden.

In der Dunkelphase der Photosynthese ist der Vorgang der Erzeugung eines protonenartigen Potentials in der Elektronentransportkette und dessen Nutzung für die Bildung von ATP in Chloroplasten nahezu identisch mit dem gleichen Vorgang in Mitochondrien. Aber Features sind immer noch vorhanden. Thylaktoide sind in dieser Situation umgestülpte Mitochondrien. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass sich Elektronen und Protonen in der entgegengesetzten Richtung zum Transportfluss in der Mitochondrienmembran durch die Membran bewegen. Elektronen werden nach außen transportiert, während sich Protonen im Inneren der thylaktischen Matrix ansammeln. Letzteres nimmt nur eine positive Ladung an, während die äußere Membran des Thylactoids negativ ist. Daraus folgt, dass der Verlauf des protonenartigen Gradienten seinem Verlauf in den Mitochondrien entgegengesetzt ist.

Das nächste Merkmal kann als großer pH-Wert im Potential von Protonen bezeichnet werden.

Das dritte Merkmal ist das Vorhandensein von nur zwei Konjugationsstellen in der Thylaktosekette, und als Ergebnis beträgt das Verhältnis des ATP-Moleküls zu den Protonen 1:3.

Ausgabe

In der ersten Phase ist die Photosynthese die Wechselwirkung von Lichtenergie (künstlich und nicht künstlich) mit der Pflanze. Grüne Substanzen reagieren auf die Strahlen - Chlorophylle, die sich größtenteils in den Blättern befinden.

Die Bildung von ATP und NADP * H ist das Ergebnis einer solchen Reaktion. Diese Produkte sind für das Auftreten von Dunkelreaktionen unerlässlich. Daher ist die Lichtstufe ein obligatorischer Prozess, ohne den die zweite Stufe, die Dunkelstufe, nicht stattfinden wird.

Dunkle Bühne: Wesen und Merkmale

Die dunkle Photosynthese und ihre Reaktionen sind der Prozess von Kohlendioxid zu Stoffen organischen Ursprungs mit der Produktion von Kohlenhydraten. Die Durchführung solcher Reaktionen erfolgt im Stroma des Chloroplasten und die Produkte der ersten Stufe der Photosynthese - Licht - nehmen aktiv daran teil.

Der Mechanismus des Dunkelstadiums der Photosynthese basiert auf dem Prozess der Assimilation (auch photochemische Carboxylierung genannt, Calvin-Zyklus), der durch Zyklizität gekennzeichnet ist. Besteht aus drei Phasen:

1. Carboxylierung - die Zugabe von CO 2.
2. Erholungsphase.
3. Regenerationsphase von Ribulosediphosphat.

Ribulophosphat, ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen, ist für den Vorgang der Phosphorylierung aufgrund von ATP zugänglich, was zur Bildung von Ribulosediphosphat führt, das aufgrund der Kombination mit CO 2 weiter carboxyliert wird, einem Produkt mit sechs Kohlenstoffatomen, das sich bei Wechselwirkung sofort zersetzt mit einem Wassermolekül, wodurch zwei molekulare Partikel aus Phosphoglycerinsäure entstehen. Dann wird diese Säure während der Durchführung einer enzymatischen Reaktion einer vollständigen Reduktion unterzogen, für die die Anwesenheit von ATP und NADP erforderlich ist, um einen Zucker mit drei Kohlenstoffatomen zu bilden - einen Zucker mit drei Kohlenstoffatomen, Triose oder Phosphoglycerinaldehyd. Wenn zwei solcher Triosen kondensieren, wird ein Hexosemolekül erhalten, das ein integraler Bestandteil des Stärkemoleküls werden und in Reserve eingestellt werden kann.

Diese Phase endet mit der Aufnahme eines CO 2 -Moleküls und der Verwendung von drei ATP-Molekülen und vier H-Atomen während des Prozesses der Photosynthese.Hexosephosphat eignet sich für die Reaktionen des Pentosephosphatzyklus, was zur Regeneration von Ribulosephosphat führt, das kann mit einem anderen Kohlensäuremolekül rekombinieren.

Die Reaktionen Carboxylierung, Reduktion, Regeneration können nicht ausschließlich für die Zelle spezifisch genannt werden, in der die Photosynthese stattfindet. Was ein „homogener“ Prozessablauf ist, kann man auch nicht sagen, da der Unterschied immer noch besteht – beim Erholungsprozess wird NADP * H verwendet und nicht NAD * H.

Die Addition von CO 2 durch Ribulosediphosphat wird durch Ribulosediphosphat-Carboxylase katalysiert. Das Reaktionsprodukt ist 3-Phosphoglycerat, das durch NADP*H2 und ATP zu Glycerinaldehyd-3-phosphat reduziert wird. Der Reduktionsprozess wird durch Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase katalysiert. Letzteres wird leicht in Dihydroxyacetonphosphat umgewandelt. Fructosebisphosphat entsteht. Einige seiner Moleküle nehmen am Regenerationsprozess von Ribulosediphosphat teil und schließen den Kreislauf, und der zweite Teil wird verwendet, um Kohlenhydratreserven in Photosynthesezellen zu bilden, dh es findet eine Kohlenhydratphotosynthese statt.

Für die Phosphorylierung und Synthese von Stoffen organischen Ursprungs ist Lichtenergie und für die oxidative Phosphorylierung die Oxidationsenergie organischer Stoffe notwendig. Aus diesem Grund bietet die Vegetation Leben für Tiere und andere heterotrophe Organismen.

Auf diese Weise findet die Photosynthese in einer Pflanzenzelle statt. Sein Produkt sind Kohlenhydrate, die notwendig sind, um die Kohlenstoffskelette vieler Substanzen der Pflanzenwelt organischen Ursprungs zu bilden.

Substanzen des stickstofforganischen Typs werden in photosynthetischen Organismen aufgrund der Reduktion von anorganischen Nitraten und Schwefel assimiliert - aufgrund der Reduktion von Sulfaten zu Sulfhydrylgruppen von Aminosäuren. Bietet die Bildung von Proteinen, Nukleinsäuren, Lipiden, Kohlenhydraten, Cofaktoren, nämlich der Photosynthese. Was für Pflanzen ein "Sortiment" von lebenswichtigen Stoffen ist, wurde bereits betont, aber kein Wort über die Produkte der Sekundärsynthese, die wertvolle Arzneistoffe sind (Flavonoide, Alkaloide, Terpene, Polyphenole, Steroide, organische Säuren und andere). ). Daher können wir ohne Übertreibung sagen, dass die Photosynthese der Schlüssel zum Leben von Pflanzen, Tieren und Menschen ist.

Die Photosynthese ist eine Reihe von Prozessen zur Umwandlung von Lichtenergie in die Energie chemischer Bindungen organischer Substanzen unter Beteiligung photosynthetischer Farbstoffe.

Diese Art der Ernährung ist typisch für Pflanzen, Prokaryoten und einige Arten einzelliger Eukaryoten.

Bei der natürlichen Synthese werden Kohlenstoff und Wasser im Zusammenspiel mit Licht in Glukose und freien Sauerstoff umgewandelt:

6CO2 + 6H2O + Lichtenergie → C6H12O6 + 6O2

Die moderne Pflanzenphysiologie versteht unter dem Begriff der Photosynthese die photoautotrophe Funktion, die eine Reihe von Prozessen der Absorption, Umwandlung und Verwendung von Lichtenergiequanten in verschiedenen nicht spontanen Reaktionen ist, einschließlich der Umwandlung von Kohlendioxid in organisches Material.

Phasen

Photosynthese in Pflanzen kommt in Blättern über Chloroplasten vor- halbautonome Zweimembran-Organellen, die zur Klasse der Plastiden gehören. Mit einer flachen Form der Blechplatten ist eine hochwertige Absorption und volle Nutzung von Lichtenergie und Kohlendioxid gewährleistet. Das für die natürliche Synthese benötigte Wasser kommt von den Wurzeln durch das wasserführende Gewebe. Der Gasaustausch erfolgt durch Diffusion durch die Stomata und teilweise durch die Kutikula.

Chloroplasten sind mit einem farblosen Stroma gefüllt und von Lamellen durchdrungen, die, wenn sie miteinander kombiniert werden, Thylakoide bilden. Hier findet die Photosynthese statt. Cyanobakterien selbst sind Chloroplasten, daher ist der Apparat für die natürliche Synthese in ihnen nicht in einer separaten Organelle isoliert.

Die Photosynthese läuft unter Beteiligung von Pigmenten das sind normalerweise Chlorophylle. Einige Organismen enthalten ein anderes Pigment - ein Carotinoid oder Phycobilin. Prokaryoten besitzen das Pigment Bakteriochlorophyll, und diese Organismen setzen nach Abschluss der natürlichen Synthese keinen Sauerstoff frei.

Die Photosynthese durchläuft zwei Phasen – hell und dunkel. Jeder von ihnen ist durch bestimmte Reaktionen und interagierende Substanzen gekennzeichnet. Betrachten wir den Prozess der Phasen der Photosynthese genauer.

Leuchtend

Erste Phase der Photosynthese gekennzeichnet durch die Bildung von energiereichen Produkten, nämlich ATP, eine zelluläre Energiequelle, und NADP, ein Reduktionsmittel. Am Ende der Stufe entsteht als Nebenprodukt Sauerstoff. Das Lichtstadium tritt zwangsläufig bei Sonnenlicht auf.

Der Prozess der Photosynthese findet in Thylakoidmembranen unter Beteiligung von Elektronenträgerproteinen, ATP-Synthetase und Chlorophyll (oder einem anderen Pigment) statt.

Die Funktionsweise elektrochemischer Schaltkreise, durch die Elektronen und teilweise Wasserstoffprotonen übertragen werden, wird in komplexen Komplexen gebildet, die aus Pigmenten und Enzymen bestehen.

Beschreibung des Lichtphasenprozesses:

1. Wenn Sonnenlicht auf die Blattplatten pflanzlicher Organismen trifft, werden Chlorophyllelektronen in der Struktur der Platten angeregt;
2. Im aktiven Zustand verlassen die Partikel das Pigmentmolekül und treten in die negativ geladene Außenseite des Thylakoids ein. Dies geschieht gleichzeitig mit der Oxidation und anschließenden Reduktion von Chlorophyllmolekülen, die dem in die Blätter eingedrungenen Wasser die nächsten Elektronen entnehmen;
3. Dann erfolgt die Photolyse von Wasser unter Bildung von Ionen, die Elektronen abgeben und in OH-Radikale umgewandelt werden, die in Zukunft an Reaktionen teilnehmen können;
4. Diese Radikale verbinden sich dann zu Wassermolekülen und freiem Sauerstoff, der in die Atmosphäre entweicht;
5. Die Thylakoidmembran erhält einerseits eine positive Ladung durch das Wasserstoffion und andererseits eine negative Ladung durch Elektronen;
6. Wenn eine Differenz von 200 mV zwischen den Seiten der Membran erreicht wird, passieren Protonen das Enzym ATP-Synthetase, was zur Umwandlung von ADP in ATP führt (Phosphorylierungsprozess);
7. Mit aus Wasser freigesetztem atomarem Wasserstoff wird NADP + zu NADP H2 reduziert;

Während bei den Reaktionen freier Sauerstoff in die Atmosphäre freigesetzt wird, nehmen ATP und NADP H2 an der Dunkelphase der natürlichen Synthese teil.

Dunkel

Eine obligatorische Komponente für diese Stufe ist Kohlendioxid., die Pflanzen ständig aus der äußeren Umgebung durch die Stomata in den Blättern aufnehmen. Die Prozesse der Dunkelphase finden im Stroma des Chloroplasten statt. Da in diesem Stadium nicht viel Sonnenenergie benötigt wird und während der Lichtphase genügend ATP und NADP H2 gewonnen wird, können Reaktionen in Organismen Tag und Nacht ablaufen. Prozesse in dieser Phase sind schneller als in der vorherigen.

Die Gesamtheit aller in der Dunkelphase ablaufenden Prozesse stellt sich als eine Art Kette aufeinanderfolgender Umwandlungen von Kohlendioxid aus der äußeren Umgebung dar:

1. Die erste Reaktion in einer solchen Kette ist die Fixierung von Kohlendioxid. Das Vorhandensein des Enzyms RiBP-Carboxylase trägt zum schnellen und glatten Ablauf der Reaktion bei, was zur Bildung einer Verbindung mit sechs Kohlenstoffatomen führt, die sich in 2 Moleküle Phosphoglycerinsäure zersetzt;
2. Dann tritt ein ziemlich komplexer Zyklus auf, der eine bestimmte Anzahl von Reaktionen umfasst, nach denen Phosphoglycerinsäure in natürlichen Zucker - Glukose - umgewandelt wird. Dieser Vorgang wird Calvin-Zyklus genannt;

Zusammen mit Zucker erfolgt auch die Bildung von Fettsäuren, Aminosäuren, Glycerin und Nukleotiden.

Die Essenz der Photosynthese

Aus der Vergleichstabelle der hellen und dunklen Phasen der natürlichen Synthese kann man kurz die Essenz jeder von ihnen beschreiben. Die Lichtphase tritt in den Körnern des Chloroplasten unter obligatorischer Einbeziehung von Lichtenergie in die Reaktionen auf. An den Reaktionen sind Komponenten wie elektronentragende Proteine, ATP-Synthetase und Chlorophyll beteiligt, die bei Wechselwirkung mit Wasser freien Sauerstoff, ATP und NADP H2 bilden. Für die im Stroma des Chloroplasten auftretende Dunkelphase ist Sonnenlicht nicht unbedingt erforderlich. Das in der letzten Stufe gewonnene ATP und NADP H2 bilden bei Wechselwirkung mit Kohlendioxid natürlichen Zucker (Glucose).

Wie aus dem Obigen ersichtlich ist, scheint die Photosynthese ein ziemlich komplexes und mehrstufiges Phänomen zu sein, einschließlich vieler Reaktionen, an denen verschiedene Substanzen beteiligt sind. Durch die natürliche Synthese wird Sauerstoff gewonnen, der für die Atmung lebender Organismen und deren Schutz vor ultravioletter Strahlung durch die Bildung der Ozonschicht notwendig ist.

Der Prozess der Umwandlung der Strahlungsenergie der Sonne in chemische Energie, wobei letztere bei der Synthese von Kohlenhydraten aus Kohlendioxid verwendet wird. Nur so lässt sich Sonnenenergie einfangen und für das Leben auf unserem Planeten nutzen.

Das Einfangen und Umwandeln von Sonnenenergie wird von verschiedenen photosynthetischen Organismen (Photoautotrophen) durchgeführt. Dazu gehören vielzellige Organismen (höhere grüne Pflanzen und ihre niederen Formen - Grün-, Braun- und Rotalgen) und einzellige Organismen (Euglena, Dinoflagellaten und Diatomeen). Eine große Gruppe photosynthetischer Organismen sind Prokaryoten - Blaualgen, grüne und violette Bakterien. Etwa die Hälfte der Photosynthesearbeit auf der Erde wird von höheren Grünpflanzen geleistet, die andere Hälfte hauptsächlich von einzelligen Algen.

Die ersten Ideen zur Photosynthese entstanden im 17. Jahrhundert. In der Zukunft, als neue Daten auftauchten, änderten sich diese Ideen viele Male. [zeigen] .

Entwicklung von Ideen zur Photosynthese

Der Beginn des Studiums der Photosynthese wurde 1630 gelegt, als van Helmont zeigte, dass Pflanzen selbst organische Substanzen bilden und diese nicht aus dem Boden erhalten. Er wog den Topf mit Erde, in dem die Weide wuchs, und den Baum selbst und zeigte, dass das Gewicht des Baums innerhalb von 5 Jahren um 74 kg zunahm, während der Boden nur 57 g verlor. Van Helmont kam zu dem Schluss, dass die Pflanze das erhielt Rest der Nahrung aus Wasser, das auf den Baum gewässert wurde. Jetzt wissen wir, dass das Hauptmaterial für die Synthese Kohlendioxid ist, das von der Pflanze aus der Luft extrahiert wird.

1772 zeigte Joseph Priestley, dass der Minztrieb die durch eine brennende Kerze „verdorbene“ Luft „korrigiert“. Sieben Jahre später entdeckte Jan Ingenhuis, dass Pflanzen schlechte Luft nur „korrigieren“ können, wenn sie im Licht stehen, und die Fähigkeit von Pflanzen, die Luft zu „korrigieren“, ist proportional zur Klarheit des Tages und der Aufenthaltsdauer der Pflanzen in der Sonne. Im Dunkeln geben Pflanzen Luft ab, die "für Tiere schädlich" ist.

Der nächste wichtige Schritt in der Entwicklung des Wissens über die Photosynthese waren die Experimente von Saussure, die 1804 durchgeführt wurden. Durch das Wiegen der Luft und der Pflanzen vor und nach der Photosynthese fand Saussure heraus, dass die Zunahme der Trockenmasse einer Pflanze die Masse des von ihr aus der Luft aufgenommenen Kohlendioxids übersteigt. Saussure kam zu dem Schluss, dass die andere an der Massenzunahme beteiligte Substanz Wasser war. So stellte man sich vor 160 Jahren den Vorgang der Photosynthese wie folgt vor:

H 2 O + CO 2 + hv -> C 6 H 12 O 6 + O 2

Wasser + Kohlendioxid + Sonnenenergie ----> Organische Materie + Sauerstoff

Ingenhus schlug vor, dass die Rolle des Lichts bei der Photosynthese der Abbau von Kohlendioxid ist; In diesem Fall wird Sauerstoff freigesetzt und der freigesetzte "Kohlenstoff" wird zum Aufbau von Pflanzengewebe verwendet. Auf dieser Grundlage wurden lebende Organismen eingeteilt in grüne Pflanzen, die Sonnenenergie nutzen können, um Kohlendioxid zu „assimilieren“, und andere Organismen, die kein Chlorophyll enthalten, die Lichtenergie nicht nutzen und kein CO 2 assimilieren können.

Dieses Prinzip der Teilung der lebenden Welt wurde verletzt, als S. N. Vinogradsky 1887 chemosynthetische Bakterien entdeckte – Chlorophyll-freie Organismen, die Kohlendioxid im Dunkeln assimilieren (d. h. in organische Verbindungen umwandeln) können. Es wurde auch verletzt, als Engelman 1883 Purpurbakterien entdeckte, die eine Art Photosynthese betreiben, die nicht mit der Freisetzung von Sauerstoff einhergeht. Damals wurde diese Tatsache nicht richtig gewürdigt; Die Entdeckung von chemosynthetischen Bakterien, die Kohlendioxid im Dunkeln assimilieren, zeigt, dass die Assimilation von Kohlendioxid nicht allein als spezifisches Merkmal der Photosynthese angesehen werden kann.

Nach 1940 wurde dank der Verwendung von markiertem Kohlenstoff festgestellt, dass alle Zellen - Pflanzen, Bakterien und Tiere - in der Lage sind, Kohlendioxid zu assimilieren, dh es in die Moleküle organischer Substanzen aufzunehmen; nur die Quellen, aus denen sie die dafür notwendige Energie beziehen, sind unterschiedlich.

Ein weiterer wichtiger Beitrag zur Untersuchung des Prozesses der Photosynthese wurde 1905 von Blackman geleistet, der entdeckte, dass die Photosynthese aus zwei aufeinanderfolgenden Reaktionen besteht: einer schnellen Lichtreaktion und einer Reihe langsamerer, lichtunabhängiger Schritte, die er Temporeaktion nannte. Mit hochintensivem Licht zeigte Blackman, dass die Photosynthese unter intermittierender Beleuchtung mit Blitzen von nur Bruchteilen einer Sekunde und unter kontinuierlicher Beleuchtung mit der gleichen Geschwindigkeit abläuft, obwohl das photosynthetische System im ersten Fall nur halb so viel Energie erhält. Die Intensität der Photosynthese nahm nur mit einer signifikanten Zunahme der Dunkelperiode ab. In weiteren Untersuchungen wurde festgestellt, dass die Geschwindigkeit der Dunkelreaktion mit steigender Temperatur deutlich ansteigt.

Die nächste Hypothese zur chemischen Grundlage der Photosynthese wurde von van Niel aufgestellt, der 1931 experimentell zeigte, dass die Photosynthese in Bakterien unter anaeroben Bedingungen ablaufen kann, ohne dass dabei Sauerstoff freigesetzt wird. Van Niel schlug vor, dass der Prozess der Photosynthese bei Bakterien und grünen Pflanzen im Prinzip ähnlich ist. Bei letzterem wird Lichtenergie zur Photolyse von Wasser (H 2 0) unter Bildung eines Reduktionsmittels (H), das in gewisser Weise an der Aufnahme von Kohlendioxid beteiligt ist, und eines Oxidationsmittels (OH) verwendet, ein hypothetischer Vorläufer von molekularem Sauerstoff. In Bakterien läuft die Photosynthese im Allgemeinen auf die gleiche Weise ab, jedoch dient H 2 S oder molekularer Wasserstoff als Wasserstoffspender, und daher wird kein Sauerstoff freigesetzt.

Moderne Ideen zur Photosynthese

Nach modernen Konzepten ist die Essenz der Photosynthese die Umwandlung der Strahlungsenergie des Sonnenlichts in chemische Energie in Form von ATP und reduziertem Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat (NADP). · N).

Derzeit ist allgemein anerkannt, dass der Prozess der Photosynthese aus zwei Phasen besteht, an denen photosynthetische Strukturen aktiv beteiligt sind. [zeigen] und lichtempfindliche Zellpigmente.

Photosynthetische Strukturen

Bei Bakterien photosynthetische Strukturen werden in Form einer Invagination der Zellmembran dargestellt, die lamellare Organellen des Mesosoms bildet. Isolierte Mesosomen, die durch die Zerstörung von Bakterien erhalten werden, werden Chromatophoren genannt, sie enthalten einen lichtempfindlichen Apparat.

Bei Eukaryoten Der Photosyntheseapparat befindet sich in speziellen intrazellulären Organellen - Chloroplasten, die das grüne Pigment Chlorophyll enthalten, das der Pflanze eine grüne Farbe verleiht und eine wichtige Rolle bei der Photosynthese spielt, indem es die Energie des Sonnenlichts einfängt. Chloroplasten enthalten wie Mitochondrien auch DNA, RNA und einen Apparat zur Proteinsynthese, dh sie haben die potenzielle Fähigkeit, sich selbst zu reproduzieren. Chloroplasten sind um ein Vielfaches größer als Mitochondrien. Die Anzahl der Chloroplasten variiert von einem bei Algen bis zu 40 pro Zelle bei höheren Pflanzen.

In den Zellen grüner Pflanzen befinden sich neben Chloroplasten auch Mitochondrien, die wie in heterotrophen Zellen nachts durch Atmung zur Energiegewinnung genutzt werden.

Chloroplasten sind kugelförmig oder abgeflacht. Sie sind von zwei Membranen umgeben - einer äußeren und einer inneren (Abb. 1). Die innere Membran ist in Form von Stapeln abgeflachter blasenförmiger Scheiben gestapelt. Dieser Stapel wird als Facette bezeichnet.

Jede Grana besteht aus separaten Schichten, die wie Münzsäulen angeordnet sind. Schichten aus Proteinmolekülen wechseln sich mit Schichten ab, die Chlorophyll, Carotine und andere Farbstoffe sowie spezielle Formen von Lipiden (mit Galaktose oder Schwefel, aber nur einer Fettsäure) enthalten. Diese Tensidlipide scheinen zwischen einzelnen Molekülschichten adsorbiert zu sein und dienen der Stabilisierung der Struktur, die aus abwechselnden Protein- und Pigmentschichten besteht. Eine solche geschichtete (lamellare) Grana-Struktur erleichtert höchstwahrscheinlich die Übertragung von Energie während der Photosynthese von einem Molekül auf ein benachbartes.

Bei Algen gibt es in jedem Chloroplasten nicht mehr als ein Korn und bei höheren Pflanzen bis zu 50 Körner, die durch Membranbrücken miteinander verbunden sind. Das wässrige Medium zwischen den Grana ist das Stroma des Chloroplasten, das Enzyme enthält, die „Dunkelreaktionen“ durchführen.

Die bläschenartigen Strukturen, aus denen die Grana besteht, werden Thylaktoide genannt. Es gibt 10 bis 20 Thylaktoide in einer Grana.

Die elementare strukturelle und funktionelle Einheit der Photosynthese von Thylaktenmembranen, die die notwendigen lichteinfangenden Pigmente und Komponenten des Energieumwandlungsapparats enthält, wird als Quantosom bezeichnet und besteht aus ungefähr 230 Chlorophyllmolekülen. Dieses Teilchen hat eine Masse von etwa 2 x 10 6 Dalton und eine Größe von etwa 17,5 nm.

Landpflanzen nehmen das für die Photosynthese benötigte Wasser über ihre Wurzeln auf, während Wasserpflanzen es durch Diffusion aus der Umwelt beziehen. Das für die Photosynthese notwendige Kohlendioxid diffundiert durch kleine Löcher auf der Oberfläche der Blätter - Stomata - in die Pflanze. Da Kohlendioxid bei der Photosynthese verbraucht wird, ist seine Konzentration in der Zelle meist etwas geringer als in der Atmosphäre. Der während der Photosynthese freigesetzte Sauerstoff diffundiert aus der Zelle und dann durch die Stomata aus der Pflanze heraus. Bei der Photosynthese gebildete Zucker diffundieren auch in die Pflanzenteile, wo ihre Konzentration geringer ist.

Für die Photosynthese benötigen Pflanzen viel Luft, da sie nur 0,03 % Kohlendioxid enthält. Somit können aus 10.000 m 3 Luft 3 m 3 Kohlendioxid gewonnen werden, aus denen bei der Photosynthese etwa 110 g Glucose entstehen. Pflanzen wachsen im Allgemeinen besser mit einem höheren Kohlendioxidgehalt in der Luft. Daher wird in einigen Gewächshäusern der CO 2 -Gehalt in der Luft auf 1-5 % eingestellt.

An der Umsetzung der photochemischen Funktion der Photosynthese sind Sonnenenergie und verschiedene Pigmente beteiligt: ​​Grün - Chlorophylle a und b, Gelb - Carotinoide und Rot oder Blau - Phycobiline. Unter diesem Pigmentkomplex ist nur Chlorophyll a photochemisch aktiv. Die restlichen Pigmente spielen eine Nebenrolle, sie sind nur Sammler von Lichtquanten (eine Art Lichtsammellinsen) und deren Leiter zum photochemischen Zentrum.

Basierend auf der Fähigkeit von Chlorophyll, Sonnenenergie einer bestimmten Wellenlänge effektiv zu absorbieren, wurden funktionelle photochemische Zentren oder Photosysteme in thylaktischen Membranen identifiziert (Abb. 3):

• Photosystem I (Chlorophyll aber) - enthält Pigment 700 (P 700), das Licht mit einer Wellenlänge von etwa 700 nm absorbiert, spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung von Produkten der Lichtstufe der Photosynthese: ATP und NADP · H2
• Photosystem II (Chlorophyll B) - enthält Pigment 680 (P 680), das Licht mit einer Wellenlänge von 680 nm absorbiert, spielt eine Hilfsrolle, indem es Elektronen ergänzt, die durch das Photosystem I aufgrund der Wasserphotolyse verloren gehen

Für 300-400 Moleküle lichtsammelnder Pigmente in den Photosystemen I und II gibt es nur ein Molekül des photochemisch aktiven Pigments - Chlorophyll a.

Von einer Pflanze absorbiertes Lichtquant

• überführt das P 700-Pigment vom Grundzustand in den angeregten Zustand - P * 700, in dem es leicht ein Elektron unter Bildung eines positiven Elektronenlochs in Form von P 700 + gemäß dem Schema verliert:

  P 700 ---> P * 700 ---> P + 700 + e -

  Danach kann das Pigmentmolekül, das ein Elektron verloren hat, als Elektronenakzeptor (fähig, ein Elektron aufzunehmen) dienen und in die reduzierte Form übergehen

• bewirkt gemäß dem Schema die Zersetzung (Photooxidation) von Wasser im photochemischen Zentrum P 680 des Photosystems II

  H 2 O ---> 2H + + 2e - + 1/2O 2

  Die Photolyse von Wasser wird als Hill-Reaktion bezeichnet. Die bei der Zersetzung von Wasser entstehenden Elektronen werden zunächst von einer als Q bezeichneten Substanz aufgenommen (wegen ihres Absorptionsmaximums manchmal Cytochrom C 550 genannt, obwohl es kein Cytochrom ist). Dann werden von der Substanz Q durch eine Kette von Trägern, die in ihrer Zusammensetzung der der Mitochondrien ähneln, Elektronen an das Photosystem I geliefert, um das durch die Absorption von Lichtquanten durch das System gebildete Elektronenloch zu füllen und das Pigment P + 700 wiederherzustellen

Wenn ein solches Molekül einfach dasselbe Elektron zurückerhält, wird Lichtenergie in Form von Wärme und Fluoreszenz freigesetzt (das ist der Grund für die Fluoreszenz von reinem Chlorophyll). In den meisten Fällen wird das freigesetzte negativ geladene Elektron jedoch von speziellen Eisen-Schwefel-Proteinen (FeS-Zentrum) aufgenommen und dann

1. oder wird entlang einer der Trägerketten zurück zu P + 700 transportiert und füllt das Elektronenloch
2. oder entlang einer anderen Trägerkette über Ferredoxin und Flavoprotein zu einem permanenten Akzeptor – NADP · H2

Im ersten Fall gibt es einen geschlossenen zyklischen Elektronentransport und im zweiten - nicht zyklisch.

Beide Prozesse werden durch dieselbe Elektronenträgerkette katalysiert. Bei der zyklischen Photophosphorylierung werden jedoch Elektronen vom Chlorophyll zurückgegeben aber zurück zum Chlorophyll aber, während bei der azyklischen Photophosphorylierung Elektronen von Chlorophyll b auf Chlorophyll übertragen werden aber.

So werden die verlorenen P 700 -Elektronen durch die unter Lichteinwirkung im Photosystem II zersetzten Wasserelektronen ergänzt.

aber+ in den Grundzustand, werden anscheinend bei Anregung von Chlorophyll gebildet B. Diese hochenergetischen Elektronen gehen zu Ferredoxin und dann durch Flavoprotein und Cytochrome zu Chlorophyll aber. In der letzten Stufe wird ADP zu ATP phosphoryliert (Abb. 5).

Elektronen, die benötigt werden, um Chlorophyll zurückzugeben in sein Grundzustand wird wahrscheinlich von OH - -Ionen geliefert, die während der Dissoziation von Wasser gebildet werden. Einige der Wassermoleküle dissoziieren in H + - und OH – -Ionen. Durch die Abgabe von Elektronen werden OH - -Ionen in Radikale (OH) umgewandelt, die später Wassermoleküle und gasförmigen Sauerstoff ergeben (Abb. 6).

Dieser Aspekt der Theorie wird durch die Ergebnisse von Experimenten mit Wasser und mit 18 0 markiertem CO 2 bestätigt [zeigen] .

Demnach stammt der gesamte bei der Photosynthese freigesetzte gasförmige Sauerstoff aus Wasser und nicht aus CO 2 . Wasserspaltungsreaktionen wurden noch nicht im Detail untersucht. Es ist jedoch klar, dass die Durchführung aller aufeinanderfolgenden Reaktionen der nichtzyklischen Photophosphorylierung (Abb. 5), einschließlich der Anregung eines Chlorophyllmoleküls aber und ein Chlorophyllmolekül B, sollte zur Bildung eines NADP-Moleküls führen · H, zwei oder mehr ATP-Moleküle aus ADP und F n und zur Freisetzung eines Sauerstoffatoms. Dazu sind mindestens vier Lichtquanten erforderlich – zwei für jedes Chlorophyllmolekül.

Nichtzyklischer Elektronenfluss von H 2 O zu NADP · H 2, das während der Wechselwirkung zweier Photosysteme und der sie verbindenden Elektronentransportketten auftritt, wird trotz der Werte der Redoxpotentiale beobachtet: E ° für 1 / 2O 2 /H 2 O \u003d +0,81 V und E ° für NADP / NADP · H \u003d -0,32 V. Die Lichtenergie kehrt den Elektronenfluss um. Wesentlich ist, dass während der Übertragung vom Photosystem II zum Photosystem I ein Teil der Elektronenenergie in Form eines Protonenpotentials auf der Thylaktoidemembran und dann in die Energie von ATP akkumuliert wird.

Der Mechanismus der Bildung des Protonenpotentials in der Elektronentransportkette und dessen Nutzung zur Bildung von ATP in Chloroplasten ist ähnlich wie in Mitochondrien. Es gibt jedoch einige Besonderheiten im Mechanismus der Photophosphorylierung. Thylaktoide sind wie umgekrempelte Mitochondrien, daher ist die Richtung des Elektronen- und Protonentransfers durch die Membran entgegengesetzt zu seiner Richtung in der Mitochondrienmembran (Abb. 6). Die Elektronen bewegen sich nach außen, und die Protonen werden innerhalb der thylaktischen Matrix konzentriert. Die Matrix ist positiv geladen und die äußere Membran des Thylactoids ist negativ geladen, d. H. Die Richtung des Protonengradienten ist entgegengesetzt zu seiner Richtung in Mitochondrien.

Ein weiteres Merkmal ist ein deutlich größerer pH-Anteil am Protonenpotential im Vergleich zu Mitochondrien. Die Thylaktoide Matrix ist stark sauer, sodass Δ pH 0,1-0,2 V erreichen kann, während Δ Ψ etwa 0,1 V beträgt. Der Gesamtwert von Δ μ H+ > 0,25 V.

Die H + -ATP-Synthetase, die in Chloroplasten als "СF 1 + F 0"-Komplex bezeichnet wird, ist ebenfalls in die entgegengesetzte Richtung orientiert. Sein Kopf (F 1) blickt nach außen zum Stroma des Chloroplasten. Protonen werden durch СF 0 + F 1 aus der Matrix herausgedrückt, und im aktiven Zentrum von F 1 wird aufgrund der Energie des Protonenpotentials ATP gebildet.

Im Gegensatz zur mitochondrialen Kette hat die Thylaktoide Kette offenbar nur zwei Konjugationsstellen, daher werden für die Synthese eines ATP-Moleküls drei statt zwei Protonen benötigt, also das Verhältnis 3 H + / 1 mol ATP.

So werden in der ersten Phase der Photosynthese während Lichtreaktionen ATP und NADP im Stroma des Chloroplasten gebildet. · H - Produkte, die für die Durchführung von Dunkelreaktionen erforderlich sind.

Dunkelreaktionen der Photosynthese ist der Vorgang des Einbaus von Kohlendioxid in organische Substanzen unter Bildung von Kohlenhydraten (Glucose-Photosynthese aus CO 2). Reaktionen treten im Stroma des Chloroplasten unter Beteiligung der Produkte der Lichtstufe der Photosynthese auf - ATP und NADP · H2.

Die Aufnahme von Kohlendioxid (photochemische Carboxylierung) ist ein Kreisprozess, der auch Pentosephosphat-Photosynthesezyklus oder Calvin-Zyklus genannt wird (Abb. 7). Es kann in drei Hauptphasen unterteilt werden:

• Carboxylierung (Fixierung von CO 2 mit Ribulosediphosphat)
• Reduktion (Bildung von Triosephosphaten bei der Reduktion von 3-Phosphoglycerat)
• Regeneration von Ribulosediphosphat

Ribulose-5-Phosphat (ein 5-Kohlenstoff-Zucker mit einem Phosphatrest an Kohlenstoff 5) wird durch ATP phosphoryliert, um Ribulosediphosphat zu bilden. Diese letzte Substanz wird durch die Zugabe von CO 2 anscheinend zu einem Zwischenprodukt mit sechs Kohlenstoffatomen carboxyliert, das jedoch sofort durch die Zugabe eines Wassermoleküls gespalten wird, wobei zwei Moleküle Phosphoglycerinsäure gebildet werden. Phosphoglycerinsäure wird dann in einer enzymatischen Reaktion reduziert, die die Anwesenheit von ATP und NADP erfordert · H mit der Bildung von Phosphoglycerinaldehyd (Zucker mit drei Kohlenstoffatomen - Triose). Durch die Kondensation zweier solcher Triosen entsteht ein Hexosemolekül, das in das Stärkemolekül eingebaut und somit als Reserve deponiert werden kann.

Um diese Phase des Zyklus abzuschließen, verbraucht die Photosynthese 1 CO 2 -Molekül und verwendet 3 ATP- und 4 H-Atome (gebunden an 2 NAD-Moleküle). · N). Aus Hexosephosphat wird durch bestimmte Reaktionen des Pentosephosphatzyklus (Abb. 8) Ribulosephosphat regeneriert, das wieder ein anderes Kohlendioxidmolekül an sich binden kann.

Keine der beschriebenen Reaktionen – Carboxylierung, Reduktion oder Regeneration – kann nur als spezifisch für die photosynthetische Zelle betrachtet werden. Der einzige gefundene Unterschied besteht darin, dass NADP für die Reduktionsreaktion benötigt wird, während der Phosphoglycerinsäure in Phosphoglyceraldehyd umgewandelt wird. · H, nicht OVER · N, wie immer.

Die Fixierung von CO 2 mit Ribulosediphosphat wird durch das Enzym Ribulosediphosphat-Carboxylase katalysiert: Ribulosediphosphat + CO 2 --> 3-Phosphoglycerat Weiterhin wird 3-Phosphoglycerat mit Hilfe von NADP reduziert · H 2 und ATP zu Glycerinaldehyd-3-phosphat. Diese Reaktion wird durch das Enzym Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase katalysiert. Glyceraldehyd-3-phosphat isomerisiert leicht zu Dihydroxyacetonphosphat. Beide Triosephosphate werden bei der Bildung von Fructosebisphosphat (einer durch Fructosebisphosphat-Aldolase katalysierten Umkehrreaktion) verwendet. Ein Teil der Moleküle des entstehenden Fructosebisphosphats ist zusammen mit Triosephosphaten an der Regeneration von Ribulosediphosphat beteiligt (sie schließen den Kreislauf), der andere Teil wird verwendet, um Kohlenhydrate in photosynthetischen Zellen zu speichern, wie in der Abbildung dargestellt.

Es wird geschätzt, dass 12 NADP erforderlich sind, um im Calvin-Zyklus ein Molekül Glucose aus CO2 zu synthetisieren. · H + H + und 18 ATP (12 ATP-Moleküle werden für die Reduktion von 3-Phosphoglycerat und 6 Moleküle für die Regenerationsreaktionen von Ribulosediphosphat verbraucht). Mindestverhältnis - 3 ATP: 2 NADP · H2 .

Man kann die Gemeinsamkeit der Prinzipien erkennen, die der Photosynthese und der oxidativen Phosphorylierung zugrunde liegen, und Photophosphorylierung ist sozusagen eine umgekehrte oxidative Phosphorylierung:

Die Energie des Lichts ist die treibende Kraft der Phosphorylierung und Synthese organischer Substanzen (S-H 2) während der Photosynthese und umgekehrt die Energie der Oxidation organischer Substanzen - während der oxidativen Phosphorylierung. Daher sind es Pflanzen, die Tieren und anderen heterotrophen Organismen Leben geben:

Bei der Photosynthese gebildete Kohlenhydrate dienen zum Aufbau des Kohlenstoffgerüsts zahlreicher organischer Pflanzenstoffe. Stickstoffsubstanzen werden von photosynthetischen Organismen durch die Reduktion von anorganischen Nitraten oder atmosphärischem Stickstoff und Schwefel durch die Reduktion von Sulfaten zu Sulfhydrylgruppen von Aminosäuren assimiliert. Die Photosynthese sorgt letztlich für den Aufbau nicht nur lebensnotwendiger Proteine, Nukleinsäuren, Kohlenhydrate, Lipide, Cofaktoren, sondern auch zahlreicher sekundärer Syntheseprodukte, die wertvolle Arzneistoffe sind (Alkaloide, Flavonoide, Polyphenole, Terpene, Steroide, organische Säuren etc . .).

Chlorophile Photosynthese

Chlorophile Photosynthese wurde in salzliebenden Bakterien gefunden, die ein violettes lichtempfindliches Pigment haben. Es stellte sich heraus, dass es sich bei diesem Pigment um das Protein Bakteriorhodopsin handelte, das wie das Sehpurpur der Netzhaut – Rhodopsin – ein Derivat von Vitamin A – Retinal – enthält. Bacteriorhodopsin, eingebettet in die Membran salzliebender Bakterien, bildet an dieser Membran als Reaktion auf die Lichtabsorption durch Retinal ein Protonenpotential, das in ATP umgewandelt wird. Bakteriorhodopsin ist somit ein chlorophyllfreier Lichtenergiewandler.

Photosynthese und Umwelt

Photosynthese ist nur in Gegenwart von Licht, Wasser und Kohlendioxid möglich. Die Effizienz der Photosynthese beträgt bei Kulturpflanzenarten nicht mehr als 20% und übersteigt normalerweise 6-7% nicht. In einer Atmosphäre von etwa 0,03 % (Vol.) CO 2 steigt bei einer Erhöhung des Gehalts auf 0,1 % die Intensität der Photosynthese und die Pflanzenproduktivität, daher ist es ratsam, Pflanzen mit Kohlenwasserstoffen zu füttern. Ein CO 2 -Gehalt in der Luft von über 1,0 % wirkt sich jedoch schädlich auf die Photosynthese aus. In einem Jahr assimilieren nur Landpflanzen 3% des gesamten CO 2 der Erdatmosphäre, d.h. etwa 20 Milliarden Tonnen.Bis zu 4 × 10 18 kJ Lichtenergie werden in der Zusammensetzung von Kohlenhydraten angesammelt, die aus CO 2 synthetisiert werden. Dies entspricht einer Kraftwerksleistung von 40 Mrd. kW. Ein Nebenprodukt der Photosynthese – Sauerstoff – ist lebenswichtig für höhere Organismen und aerobe Mikroorganismen. Die Vegetation zu erhalten bedeutet, das Leben auf der Erde zu erhalten.

Photosynthese-Effizienz

Die Effizienz der Photosynthese im Hinblick auf die Biomasseproduktion lässt sich über den Anteil der gesamten Sonnenstrahlung abschätzen, der in einer bestimmten Zeit auf eine bestimmte Fläche fällt und in der organischen Substanz der Kulturpflanze gespeichert wird. Die Produktivität des Systems kann anhand der pro Flächeneinheit pro Jahr gewonnenen Menge an organischer Trockenmasse geschätzt und in Einheiten der Masse (kg) oder Energie (MJ) der Produktion pro Hektar pro Jahr ausgedrückt werden.

Der Biomasseertrag hängt somit von der Fläche des im Laufe des Jahres betriebenen Sonnenkollektors (Blätter) und der Anzahl der Tage pro Jahr mit solchen Lichtverhältnissen ab, an denen die Photosynthese mit maximaler Rate möglich ist, was die Effizienz des gesamten Prozesses bestimmt . Aus den Ergebnissen der Bestimmung des pflanzenverfügbaren Anteils der Sonnenstrahlung (in %) (Photosynthetically Active Radiation, PAR) und der Kenntnis der wichtigsten photochemischen und biochemischen Prozesse und ihrer thermodynamischen Effizienz lassen sich die wahrscheinlichen Grenzbildungsraten von berechnen organische Substanzen in Form von Kohlenhydraten.

Pflanzen nutzen Licht mit einer Wellenlänge von 400 bis 700 nm, d. h. photosynthetisch aktive Strahlung macht 50 % des gesamten Sonnenlichts aus. Dies entspricht einer Intensität auf der Erdoberfläche von 800-1000 W/m 2 für einen typischen Sonnentag (im Mittel). Die durchschnittliche maximale Effizienz der Energieumwandlung während der Photosynthese beträgt in der Praxis 5-6%. Diese Schätzungen basieren auf der Untersuchung des Prozesses der CO 2 -Bindung sowie der begleitenden physiologischen und physikalischen Verluste. Ein Mol gebundenes CO 2 in Form eines Kohlenhydrats entspricht einer Energie von 0,47 MJ, und die Energie eines Mols roter Lichtquanten mit einer Wellenlänge von 680 nm (dem energieärmsten Licht, das in der Photosynthese verwendet wird) beträgt 0,176 MJ . Somit beträgt die Mindestanzahl an Molen an roten Lichtquanten, die benötigt wird, um 1 Mol CO 2 zu binden, 0,47:0,176 = 2,7. Da jedoch die Übertragung von vier Elektronen aus Wasser zur Fixierung eines CO 2 -Moleküls mindestens acht Lichtphotonen erfordert, beträgt die theoretische Bindungseffizienz 2,7:8 = 33 %. Diese Berechnungen werden für rotes Licht durchgeführt; es ist klar, dass dieser Wert für weißes Licht entsprechend niedriger sein wird.

Unter besten Freilandbedingungen erreicht die Fixierungseffizienz in Pflanzen 3 %, was jedoch nur in kurzen Wachstumsperioden möglich ist und auf das ganze Jahr gerechnet zwischen 1 und 3 % liegen wird.

In der Praxis beträgt der Wirkungsgrad der photosynthetischen Energieumwandlung in gemäßigten Zonen im Durchschnitt pro Jahr normalerweise 0,5 bis 1,3 % und für subtropische Kulturen 0,5 bis 2,5 %. Die bei einer bestimmten Sonnenintensität und unterschiedlicher photosynthetischer Effizienz zu erwartende Produktausbeute lässt sich leicht aus den in Abb. neun.

Die Bedeutung der Photosynthese

• Der Prozess der Photosynthese ist die Grundlage der Ernährung aller Lebewesen und versorgt die Menschheit außerdem mit Treibstoff, Fasern und unzähligen nützlichen chemischen Verbindungen.
• Aus dem bei der Photosynthese aus der Luft gebundenen Kohlendioxid und Wasser werden etwa 90-95 % des Trockengewichts der Ernte gebildet.
• Der Mensch nutzt etwa 7 % der Produkte der Photosynthese für Lebensmittel, Tierfutter, Brennstoffe und Baumaterialien.

Wie der Name schon sagt, ist die Photosynthese im Wesentlichen eine natürliche Synthese organischer Substanzen, die CO2 aus der Atmosphäre und Wasser in Glukose und freien Sauerstoff umwandelt.

Dies erfordert das Vorhandensein von Sonnenenergie.

Die chemische Gleichung des Photosyntheseprozesses kann allgemein wie folgt dargestellt werden:

Die Photosynthese hat zwei Phasen: dunkel und hell. Die chemischen Reaktionen der dunklen Phase der Photosynthese unterscheiden sich deutlich von den Reaktionen der hellen Phase, jedoch hängen die dunkle und die helle Phase der Photosynthese voneinander ab.

Die Lichtphase kann bei Pflanzenblättern ausschließlich im Sonnenlicht auftreten. Für einen dunklen ist das Vorhandensein von Kohlendioxid erforderlich, weshalb die Pflanze es ständig aus der Atmosphäre aufnehmen muss. Alle vergleichenden Eigenschaften der dunklen und hellen Phasen der Photosynthese werden unten angegeben. Dazu wurde eine Vergleichstabelle „Phasen der Photosynthese“ erstellt.

Lichtphase der Photosynthese

Die Hauptprozesse in der Lichtphase der Photosynthese finden in Thylakoidmembranen statt. Es beinhaltet Chlorophyll, Elektronentransportproteine, ATP-Synthetase (ein Enzym, das die Reaktion beschleunigt) und Sonnenlicht.

Der Reaktionsmechanismus kann weiter wie folgt beschrieben werden: Wenn Sonnenlicht auf die grünen Blätter von Pflanzen trifft, werden Chlorophyll-Elektronen (negative Ladung) in ihrer Struktur angeregt, die, nachdem sie in einen aktiven Zustand übergegangen sind, das Pigmentmolekül verlassen und auf die gelangen Außenseite des Thylakoids, dessen Membran ebenfalls negativ geladen ist. Gleichzeitig werden Chlorophyllmoleküle oxidiert und bereits oxidierte werden wiederhergestellt, wodurch dem Wasser, das sich in der Blattstruktur befindet, Elektronen entzogen werden.

Dieser Prozess führt dazu, dass Wassermoleküle zerfallen und die durch Photolyse von Wasser entstehenden Ionen ihre Elektronen abgeben und sich in solche OH-Radikale verwandeln, die weitere Reaktionen durchführen können. Darüber hinaus werden diese reaktiven OH-Radikale kombiniert, wodurch vollwertige Wassermoleküle und Sauerstoff entstehen. In diesem Fall wird freier Sauerstoff an die äußere Umgebung abgegeben.

Als Ergebnis all dieser Reaktionen und Umwandlungen wird die Blattthylakoidmembran einerseits positiv (durch das H + -Ion) und andererseits negativ (durch Elektronen) geladen. Wenn der Unterschied zwischen diesen Ladungen auf den beiden Seiten der Membran mehr als 200 mV erreicht, passieren Protonen spezielle Kanäle des ATP-Synthetase-Enzyms und aufgrund dessen wird ADP in ATP umgewandelt (als Ergebnis des Phosphorylierungsprozesses). Und atomarer Wasserstoff, der aus Wasser freigesetzt wird, stellt den spezifischen Trägerstoff NADP+ wieder zu NADP H2 her. Wie Sie sehen können, laufen als Ergebnis der Lichtphase der Photosynthese drei Hauptprozesse ab:

1. ATP-Synthese;
2. Erstellung von NADP H2;
3. Bildung von freiem Sauerstoff.

Letzteres wird in die Atmosphäre freigesetzt und NADP H2 und ATP nehmen an der Dunkelphase der Photosynthese teil.

Dunkelphase der Photosynthese

Die Dunkel- und Hellphasen der Photosynthese sind durch einen großen Energieaufwand der Pflanze gekennzeichnet, die Dunkelphase verläuft jedoch schneller und benötigt weniger Energie. Dunkelphasenreaktionen benötigen kein Sonnenlicht, sodass sie Tag und Nacht auftreten können.

Alle Hauptprozesse dieser Phase finden im Stroma des pflanzlichen Chloroplasten statt und stellen eine Art Kette aufeinanderfolgender Umwandlungen von Kohlendioxid aus der Atmosphäre dar. Die erste Reaktion in einer solchen Kette ist die Fixierung von Kohlendioxid. Damit es reibungsloser und schneller läuft, hat die Natur das Enzym RiBP-Carboxylase bereitgestellt, das die Fixierung von CO2 katalysiert.

Dann findet ein ganzer Reaktionszyklus statt, dessen Abschluss die Umwandlung von Phosphoglycerinsäure in Glucose (natürlicher Zucker) ist. Alle diese Reaktionen nutzen die Energie von ATP und NADP H2, die in der Lichtphase der Photosynthese entstanden sind. Neben Glukose werden auch andere Stoffe durch Photosynthese gebildet. Darunter sind verschiedene Aminosäuren, Fettsäuren, Glycerin sowie Nukleotide.

Photosynthesephasen: Vergleichstabelle

Photosynthese - Video