Энергетическое обеспечение клетки. Фотосинтез

Автор: Захарова Алена Сергеевна, г. Омск, МОУ СОШ № 61
Тема: Энергетическое обеспечение клетки. Фотосинтез

Задачи урока: сформировать знания о фотосинтезе как пластическом обмене веществ у растений, о световой фазе фотосинтеза, механизмах использования энергии света в гранах хлоропластов, расщепления воды, образования кислорода, АТФ, о темновой фазе фотосинтеза, восстановлении углекислого газа до углевода. Проконтролировать первичное усвоение знаний с помощью дидактических материалов.

Оборудование: таблицы по общей биологии, схема “Процесс фотосинтеза”, карточки с заданиями.

ХОД УРОКА

Учитель: На прошлых уроках вы закончили изучение химического состава и строения клетки. Сегодня изучим новую тему. Запишите сразу д/з
Желающие, подготовьте небольшие сообщения (5 мин.) по следующим темам:

1. История изучения фотосинтеза.
2. Космическая роль зеленых растений.
3. Управление продуктивностью процесса фотосинтеза.
4. Хемосинтез.


Учитель: Энергию можно определить, как способность совершать работу. По закону сохранения энергии – энергия не создается и не уничтожается, а только взаимопревращается. За счет чего же клетка может совершать различного вида работу: химический синтез веществ, необходимый для восстановления и роста тканей, активный транспорт веществ через мембраны, проведение нервных импульсов и др.?
Источником энергии почти для всех этих видов активности служат питательные вещества – органические молекулы, в которых содержится химическая энергия, запасенная в связях между их атомами. При разрыве связей эта энергия может высвободиться. При этом она аккумулируется в форме АТФ (“макроэнергетические связи”) и в этой форме используется затем для выполнения различной работы в клетке.

Итак, органические вещества – источники энергии для жизнедеятельности клетки. А где берут их организмы? Все организмы по источникам получения органических веществ делятся на 2 группы:
Автотрофы – самостоятельно синтезируют органические вещества из минеральных для своего питания (растения, некоторые бактерии).
Гетеротрофы – получают с пищей готовые органические вещества (животные, грибы, большинство бактерий).

Первичные поставщики органических веществ – автотрофы-растения. Используя энергию солнечного света, они строят сложные органические соединения из CO2 и H2O, т.е. фотосинтезируют.
Фотосинтез – процесс образования углеводов из неорганических веществ – CO2 и H2O при использовании энергии солнечного света.

Общее уравнение фотосинтеза:

6CO2 + 6 H2O ––– (свет, хлоропласты)–––> C6H12O6 + 6 O2 ^

В ходе этого процесса из веществ, бедных энергией – углекислого газа и воды – образуется углевод глюкоза (C6H12O6) – богатое энергией вещество, кроме того образуется также молекулярный кислород.
Суммарное уравнение отражает только количественные соотношения участвующих в фотосинтезе реагентов и его конечных продуктов, но не химическую природу этого явления. Общее уравнение удалось выяснить ученым к концу XIX века, а химическая природа выяснена в середине XX-го. Хотя все сложности этого процесса до конца не ясны и сегодня.
Сейчас известно о фотосинтезе, что это длинная и сложная цепь реакций, протекающих в хлоропластах при участии большого количества ферментов. Чтобы эти реакции шли, они должны быть разделены в пространстве.

– Вспомните, какое строение имеют хлоропласты, как их строение соответствует выполняемой ими функции? (хлоропласт состоит из наружной и внутренней мембраны. Наружная мембрана гладкая. Внутренняя мембрана складчатая, образует выросты внутрь хлоропласта – ламеллы. Совокупность ламелл называют стромой. Ламеллы могут образовывать локальные расширения, имеющие вид уплощённых мешочков – тилакоидов. Тилакоиды располагаются стопками, один над другим, напоминая стопки монет. Эти стопки называются гранами. Пигмент хлорофилл располагается внутри мембран тилакоида, он и улавливает энергию света; в тилакоидах происходит превращение световой энергии в химическую энергию АТФ).

Главное вещество фотосинтеза – зелёный пигмент – хлорофилл. Это сложное органическое вещество, в центре которого находится атом магния. Хлорофилл находится в мембранах тилакоидов гран, из-за чего хлоропласты приобретают зелёный цвет, а благодаря хлоропластам и остальная часть клетки и весь лист становятся зелёными. Остальные структуры клетки – бесцветны.

Ну, а почему сам хлорофилл кажется нам зелёным? А потому, что он поглощает лучи в красной и синей областях спектра и отражает зелёные лучи, которые и воспринимаются нашим глазом.

По современным данным фотосинтез включает два типа реакций: световые (светозависимые) и темновые (не зависящие от света). Световые реакции территориально привязаны к пространству, ограниченному тилакоидами. Темновые проходят в строме хлоропласта.

Ознакомимся с химизмом фотосинтеза по схеме “Процесс фотосинтеза”.

Но сначала по общему уравнению предположим логику происходящего процесса.

– Чем отличаются атомарные составы CO2 и углеводов? – В глюкозе есть атомы водорода. Значит, фотосинтез должен включать реакции восстановления молекул СО2 до молекул глюкозы, для чего необходима энергия.

Световая фаза.
(Квант света попадает на молекулу хлорофилла, которая находится в мембране тилакоида в хлоропласте. Хлорофилл, получив порцию энергии, возбуждается и эту лишнюю энергию выбрасывает вместе со своим электроном за пределы мембраны в строму хлоропласта. Но, потерявшая энергию молекула хлорофилла стремится возместить свою потерю и отбирает электрон у молекулы воды, которая при этом распадается на кислород и протон. Происходит фотолиз воды. Кислород выделяется в атмосферу, а протоны собираются внутри тилакоида. Мы имеем накапливающиеся “+” и “–” заряды, разделенные слоем диэлектрика – мембраной. Могут ли заряды накапливаться до бесконечности? Конечно, нет. При определенной разности потенциалов протоны пройдут сквозь мембрану и соединятся с электронами. При этом выделится энергия. Для этой цели в мембране предусмотрен специальный канал, в котором находится фермент АТФаза, поэтому выделяющаяся энергия не превращается в свет, а расходуется на синтез АТФ. Таким образом, энергия света превращается в энергию макроэргических связей АТФ. В строме хлоропласта атомарный водород вступает в химическую реакцию с углекислым газом и образуется глюкоза. На эту реакцию тратится энергия АТФ, т.е. энергия АТФ превращается в энергию химических связей в молекуле глюкозы.)

Её смысл – превратить световую энергию солнца в химическую энергию молекул АТФ и других молекул, богатых энергией. Эти реакции протекают непрерывно, но их легче изучать, разделив на три стадии:

1. а) Свет, попадая на хлорофилл, сообщает ему достаточно энергии для того, чтобы от молекулы мог оторваться один электрон; б) электроны захватываются белками-переносчиками, встроенными, наряду с хлорофиллом, в мембраны тилакоида и выносятся на сторону мембраны, обращённую в строму; в) в строме всегда есть вещество, являющееся переносчиком водорода, по своей природе оно является динуклеотидом и называется сокращённо НАДФ+ – окисленная форма (никотин–амид–аденин–динуклеотид–фосфат). Это соединение захватывает возбуждённые светом e и протоны, которые всегда есть в строме, и восстанавливается, превращаясь в НАДФ·H2.

2. Молекулы воды разлагаются под действием света (фотолиз воды): образуются электроны, Н+ и O2. Электроны замещают e, утраченные хлорофиллом на стадии 1. Протоны пополняют протонный резервуар, который будет использоваться на стадии 3. Кислород выходит за пределы клетки в атмосферу.

3. Протоны, накапливаясь внутри тилакоида, образуют положительно заряженное электрическое поле. Со стороны, обращённой в строму, мембрана заряжена отрицательно. Постепенно разность потенциалов по обе стороны мембраны возрастает и, когда она достигает критической величины ( 200 милливольт), открывается пора в ферменте, встроенном в мембрану тилакоида (фермент называется АТФ-синтетаза). Протоны устремляются по протонному каналу в ферменте наружу – в строму. На выходе из протонного канала создаётся высокий уровень энергии, который идёт на синтез АТФ (АДФ + Фн > АТФ). Образовавшиеся молекулы АТФ переходят в строму, где участвуют в реакциях образования углеводов.

Итак, результат световой фазы – образование молекул, богатых энергией АТФ и НАДФ·H2, и побочного продукта – O2?.
Темновая фаза.

Эта фаза проходит в строме хлоропласта, куда поступает CO2 из воздуха, а также продукты световой фазы АТФ и НАДФ·H2. Здесь эти соединения используются в серии реакций, “фиксирующих” CO2 в форме углеводов. Проследим по схеме: CO2 присоединяется к пятиуглеродному сахару (рибулёзодифосфату), который есть в строме. Образующаяся при этом шестиуглеродная молекула нестабильна и сразу расщепляется на две трёхуглеродные молекулы, каждая из которых присоединяет фосфатную группу от АТФ. Обогащённая энергией молекула становится способной присоединить водород от переносчика НАДФ·H2. На пятом этапе судьба трёхуглеродных молекул может быть различной: одни из них соединяются друг с другом и образуют шестиуглеродные молекулы, например, глюкозы, а те дальше объединяются в сахарозу, крахмал, целлюлозу и другие вещества. Другие трёхуглеродные молекулы используются для синтеза аминокислот, присоединяя азотсодержащие группы. Наконец, третьи вовлекаются в длинный ряд реакций, основной результат которых сводится к превращению пяти трёхуглеродных молекул в три пятиуглеродные молекулы рибулёзодифосфата. Он снова присоединяет углекислый газ, увеличивая общее количество фиксированного углерода в растении. Иными словами, процесс представляет собой цикл Кальвина (Нобелевская премия 1961 г).

Для создания одной молекулы глюкозы цикл должен повториться шесть раз: при этом всякий раз к запасу фиксированного углерода в растении прибавляется по одному атому углерода из CO2.

АДФ, Фн и НАДФ+ из цикла Кальвина возвращаются на поверхность мембран и снова превращаются в АТФ и НАДФ·H2.

В дневное время, пока светит солнце, в хлоропластах не прекращается активное движение этих молекул: они снуют туда и сюда, как челноки, соединяя два независимых ряда реакций. Этих молекул в хлоропластах немного, поэтому АТФ и НАДФ·H2, образовавшиеся днём, на свету, после захода солнца быстро расходуются в реакциях фиксации углерода. Затем фотосинтез прекращается до рассвета. С восходом солнца вновь начинается синтез АТФ и НАДФ·H2, а вскоре возобновляется и фиксация углерода.

Итак, в результате фотосинтеза происходит превращение световой энергии в энергию химических связей в молекулах органических веществ.

Фотосинтез.

Фазы фотосинтеза
Процессы, происходящие в этой фазе
Результаты процессов


Световая фаза
I. а) хлорофилл –––(свет)–––> хлорофилл* + e
б) e + белки-переносчики ––> на наружную поверхность мембраны тилакоида
в) НАДФ+ + 2H+ + 4 e –––> НАДФ·H2
Образование НАДФ·H2


II. Фотолиз воды
H2O –––(свет)–––> H+ + OH–

H+ –––> в протонный резервуар тилакоида

OH– –––> OH– – e –––> OH –––> H2O и O2

e + хлорофилл* –––> хлорофилл
O2 – в атмосферу


III. H+ протонного резервуара – источник энергии, необходимой АТФ фазе для синтеза АТФ из АДФ +ФН
Образование АТФ

Темновая фаза
Связывание CO2 с пятиуглеродным сахаром рибулёзодифосфатом при использовании АТФ и НАДФ·H2
Образование глюкозы




(Для проверки усвоения материала урока) Ответы: №1–в, №2–а, №3–б, №4–б, №5–а, №6–б, №7–б; №8 – [А]: б, д, з, [Г]: а, в, г, е, ж; №9 – а) 2; б) 1, 3; в) 4; №10 – I (а, в, д, е, ж); II (б, г)).
Задания к теме “Фотосинтез”.

1. В каких органеллах клетки осуществляется процесс фотосинтеза?

а) митохондрии,
б) рибосомы,
в) хлоропласты,
г) хромопласты.

2. Какие лучи спектра поглощает хлорофилл?

а) красные и фиолетовые,
б) зеленые и желтые.

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

а) CO2,
б) H2O,
в) АТФ.

4. На какой стадии фотосинтеза образуется свободный кислород?

а) темновая,
б) световая,
в) постоянно.

5. Что происходит с АТФ в течение световой стадии?

а) синтез,
б) расщепление.

6. В течение какой стадии в хлоропласте образуется первичный углевод?

а) световая стадия,
б) темновая стадия.

7. Расщепляется ли молекула CO2 при синтезе углеводов?

а) да,
б) нет.

8. Распределите буквы, относящиеся к перечисленным ниже организмам в двух столбцах:
Автотрофы
Гетеротрофы



а) человек,
б) ромашка,
в) кишечная палочка,
г) мышь,
д) зверобой,
е) сойка,
ж) инфузория,
з) картофель

9. Подставив цифры к буквам, укажите в какой части хлоропласта (буквы справа) локализуются перечисленные слева вещества или процессы.1. хлорофилл а) строма
2. ферменты, катализирующие реакции фиксации углерода б) фотосинтетические мембраны
3. синтез АТФ в) внутреннее пространство тилакоидов
4. H+ – резервуар


10. Перечислите наиболее важные процессы световой (I) и темновой (II) фаз фотосинтеза, подставив подходящие буквы к цифрам I и II.

а) возбуждение электронов хлорофилла,
б) связывание рибулёзодифосфата с углекислым газом,
в) синтез молекул АТФ,
г) синтез глюкозы,
д) фотолиз воды,
е) образование свободного кислорода,
ж) образование атомов водорода в форме НАДФ·H2.

Приложенные файлы


Добавить комментарий