La fotosintesi avviene nella fase luminosa. Come e dove avviene il processo di fotosintesi nelle piante? L'importanza della fotosintesi per le piante e per il pianeta

Argomento 3 Fasi della fotosintesi

Sezione 3 Fotosintesi

1. Fase leggera della fotosintesi

2. Fosforilazione fotosintetica

3.Modalità di fissazione della CO 2 durante la fotosintesi

4.Respirazione fotografica

L'essenza della fase luminosa della fotosintesi è l'assorbimento dell'energia radiante e la sua trasformazione in forza assimilativa (ATP e NADP-H), necessaria per la riduzione del carbonio nelle reazioni oscure. La complessità dei processi di conversione dell'energia luminosa in energia chimica richiede la loro rigorosa organizzazione della membrana. La fase leggera della fotosintesi avviene nella grana del cloroplasto.

Pertanto, la membrana fotosintetica realizza una reazione molto importante: converte l'energia dei quanti di luce assorbiti nel potenziale redox del NADP-H e nel potenziale della reazione di trasferimento del gruppo fosforilico nella molecola di ATP, in questo caso energia viene convertito da una forma di vita molto breve a una forma di vita abbastanza lunga. L'energia stabilizzata può essere successivamente utilizzata nelle reazioni biochimiche della cellula vegetale, comprese le reazioni che portano alla riduzione dell'anidride carbonica.

Cinque principali complessi polipeptidici sono incorporati nelle membrane interne dei cloroplasti: complesso del fotosistema I (PSI), complesso del fotosistema II (PSII), complesso di raccolta della luce II (LHCII), complesso del citocromo b 6 f E ATP sintasi (complesso CF 0 – CF 1). I complessi PSI, PSII e CCKII contengono pigmenti (clorofille, carotenoidi), la maggior parte dei quali funzionano come pigmenti antenna che raccolgono energia per i pigmenti dei centri di reazione PSI e PSII. Complessi PSI e PSII, nonché citocromo b6f-complesso contengono cofattori redox e partecipano al trasporto degli elettroni fotosintetici. Le proteine ​​di questi complessi si distinguono per un alto contenuto di aminoacidi idrofobici, che ne garantisce l'integrazione nella membrana. ATP sintasi ( CF 0 – CF 1-complesso) effettua la sintesi dell'ATP. Oltre ai grandi complessi polipeptidici, le membrane tilacoidi contengono piccoli componenti proteici: plastocianina, ferredossina E ferredossina-NADP ossidoreduttasi, situato sulla superficie delle membrane. Fanno parte del sistema di trasporto degli elettroni della fotosintesi.

Nel ciclo luminoso della fotosintesi si verificano i seguenti processi: 1) fotoeccitazione delle molecole di pigmento fotosintetico; 2) migrazione di energia dall'antenna al centro di reazione; 3) fotoossidazione di una molecola d'acqua e rilascio di ossigeno; 4) fotoriduzione del NADP a NADP-H; 5) fosforilazione fotosintetica, formazione di ATP.

I pigmenti cloroplasti sono combinati in complessi funzionali - sistemi di pigmenti, in cui il centro di reazione è la clorofilla UN, Effettuando la fotosensibilizzazione, è collegato mediante processi di trasferimento di energia con un'antenna costituita da pigmenti che raccolgono la luce. Schema moderno della fotosintesi piante superiori coinvolge due reazioni fotochimiche che coinvolgono due diversi fotosistemi. L'ipotesi della loro esistenza fu fatta da R. Emerson nel 1957 sulla base dell'effetto da lui scoperto di potenziare l'azione della luce rossa a onde lunghe (700 nm) mediante illuminazione combinata con raggi a onde più corte (650 nm). Successivamente, si è scoperto che il fotosistema II assorbe raggi di lunghezza d'onda più corta rispetto al PSI. La fotosintesi avviene in modo efficiente solo quando funzionano insieme, il che spiega l'effetto di amplificazione di Emerson.

Il PSI contiene un dimero di clorofilla come centro di reazione e con massimo assorbimento della luce di 700 nm (P 700), così come le clorofille UN 675-695, svolgendo il ruolo di componente dell'antenna. L'accettore di elettroni primario in questo sistema è la forma monomerica della clorofilla UN 695, gli accettori secondari sono le proteine ​​ferro-zolfo (-FeS). Il complesso PSI, sotto l'influenza della luce, riduce la proteina contenente ferro - ferredossina (Fd) e ossida la proteina contenente rame - plastocianina (Pc).

PSII include un centro di reazione contenente clorofilla UN(P 680) e pigmenti dell'antenna: clorofille UN 670-683. L'accettore di elettroni primario è la feofitina (Ph), che trasferisce gli elettroni al plastochinone. PSII comprende anche il complesso proteico del sistema S, che ossida l'acqua, e il trasportatore di elettroni Z. Questo complesso funziona con la partecipazione di manganese, cloro e magnesio. Il PSII riduce il plastochinone (PQ) e ossida l'acqua, rilasciando O2 e protoni.

Il collegamento tra PSII e PSI è il fondo del plastochinone, un complesso proteico del citocromo b6f e plastocianina.

Nei cloroplasti vegetali, ciascun centro di reazione contiene circa 300 molecole di pigmento, che fanno parte dell'antenna o dei complessi di raccolta della luce. Un complesso proteico contenente clorofille è stato isolato dalle lamelle dei cloroplasti UN E B e carotenoidi (CCC), strettamente correlati al PSP, e complessi di antenne direttamente inclusi in PSI e PSII (componenti di antenna focalizzanti dei fotosistemi). La metà della proteina tilacoide e circa il 60% della clorofilla sono localizzati nel SSC. Ogni SSC contiene da 120 a 240 molecole di clorofilla.

Il complesso proteico antenna PS1 contiene 110 molecole di clorofilla UN 680-695 per una R 700 , Di questi 60 fanno parte del complesso dell'antenna, che può essere considerato come il PSI SSC. Il complesso dell'antenna PSI contiene anche b-carotene.

Il complesso proteico dell'antenna PSII contiene 40 molecole di clorofilla UN con un assorbimento massimo di 670-683 nm per P 680 e b-carotene.

Le cromoproteine ​​dei complessi antenna non hanno attività fotochimica. Il loro ruolo è quello di assorbire e trasferire l'energia quantistica a un piccolo numero di molecole dei centri di reazione P 700 e P 680, ciascuna delle quali è associata a una catena di trasporto degli elettroni e realizza una reazione fotochimica. L'organizzazione delle catene di trasporto degli elettroni (ETC) per tutte le molecole di clorofilla è irrazionale, poiché anche alla luce solare diretta, i quanti di luce colpiscono la molecola del pigmento non più di una volta ogni 0,1 s.

Meccanismi fisici dei processi di assorbimento, stoccaggio e migrazione dell'energia le molecole di clorofilla sono state studiate abbastanza bene. Assorbimento dei fotoni(hν) è dovuto alla transizione del sistema a vari stati energetici. In una molecola, a differenza di un atomo, sono possibili movimenti elettronici, vibrazionali e rotazionali e l'energia totale della molecola è uguale alla somma di questi tipi di energie. L'indicatore principale dell'energia di un sistema assorbente è il livello della sua energia elettronica, determinata dall'energia degli elettroni esterni in orbita. Secondo il principio di Pauli, nell'orbita esterna ci sono due elettroni con spin opposti, che danno luogo alla formazione di un sistema stabile di elettroni accoppiati. L'assorbimento dell'energia luminosa è accompagnato dalla transizione di uno degli elettroni su un'orbita più alta con l'immagazzinamento dell'energia assorbita sotto forma di energia di eccitazione elettronica. La caratteristica più importante sistemi assorbenti: selettività dell'assorbimento, determinata configurazione elettronica molecole. In una molecola organica complessa c'è un certo insieme di orbite libere in cui un elettrone può trasferirsi quando assorbe i quanti di luce. Secondo la "regola della frequenza" di Bohr, la frequenza della radiazione assorbita o emessa v deve corrispondere strettamente alla differenza di energia tra i livelli:

ν = (E 2 – E 1)/h,

dove h è la costante di Planck.

Ogni transizione elettronica corrisponde ad una specifica banda di assorbimento. Pertanto, la struttura elettronica della molecola determina la natura degli spettri vibrazionali elettronici.

Immagazzinamento dell'energia assorbita associato all'emergere di stati di pigmenti eccitati elettronicamente. Le regolarità fisiche degli stati eccitati delle porfirine Mg possono essere considerate sulla base dell'analisi dello schema di transizione elettronica di questi pigmenti (figura).

Esistono due tipi principali di stati eccitati: singoletto e tripletto. Differiscono nell'energia e nello stato di spin dell'elettrone. In uno stato eccitato di singoletto, l'elettrone gira a terra e i livelli eccitati rimangono antiparalleli; durante la transizione allo stato di tripletto, lo spin dell'elettrone eccitato ruota con la formazione di un sistema biradicale; Quando un fotone viene assorbito, la molecola di clorofilla passa dallo stato fondamentale (S 0) a uno degli stati singoletto eccitati - S 1 o S 2 , che è accompagnato dalla transizione di un elettrone ad un livello eccitato con energia maggiore. Lo stato eccitato di S2 è molto instabile. L'elettrone perde rapidamente (entro 10 -12 s) parte della sua energia sotto forma di calore e cade al livello vibrazionale inferiore S 1, dove può rimanere per 10 -9 s. Nello stato S 1 può verificarsi un'inversione dello spin dell'elettrone e una transizione allo stato di tripletta T 1, la cui energia è inferiore a S 1 .

Esistono diversi modi possibili per disattivare gli stati eccitati:

· emissione di un fotone con transizione del sistema allo stato fondamentale (fluorescenza o fosforescenza);

trasferimento di energia ad un'altra molecola;

· utilizzo dell'energia di eccitazione in una reazione fotochimica.

Migrazione energetica tra le molecole del pigmento può avvenire attraverso i seguenti meccanismi. Meccanismo induttivo-risonante(meccanismo di Förster) è possibile a condizione che la transizione elettronica sia consentita otticamente e che lo scambio di energia avvenga secondo meccanismo dell'eccitone. Il concetto di “eccitone” indica uno stato elettronicamente eccitato di una molecola, in cui l’elettrone eccitato rimane legato alla molecola del pigmento e non avviene la separazione della carica. Il trasferimento di energia da una molecola di pigmento eccitata a un'altra molecola viene effettuato mediante trasferimento non radiativo dell'energia di eccitazione. Un elettrone in uno stato eccitato è un dipolo oscillante. Il campo elettrico alternato risultante può causare vibrazioni simili di un elettrone in un'altra molecola di pigmento se sono soddisfatte condizioni di risonanza (uguaglianza di energia tra il livello fondamentale ed eccitato) e condizioni di induzione che determinano un'interazione sufficientemente forte tra le molecole (distanza non superiore a 10 nm ).

Meccanismo di risonanza di scambio della migrazione energetica di Terenin-Dexter si verifica quando la transizione è otticamente impedita e non si forma un dipolo all'eccitazione del pigmento. Per la sua implementazione è necessario uno stretto contatto di molecole (circa 1 nm) con orbitali esterni sovrapposti. In queste condizioni è possibile lo scambio di elettroni situati sia nel livello singoletto che tripletto.

In fotochimica esiste il concetto di flusso quantistico processi. In relazione alla fotosintesi, questo indicatore dell'efficienza della conversione dell'energia luminosa in energia chimica mostra quanti quanti di luce vengono assorbiti affinché una molecola di O 2 venga rilasciata. Va tenuto presente che ciascuna molecola di una sostanza fotoattiva assorbe contemporaneamente solo un quanto di luce. Questa energia è sufficiente per provocare alcuni cambiamenti nella molecola della sostanza fotoattiva.

Viene chiamato il reciproco della portata quantistica resa quantica: il numero di molecole di ossigeno rilasciate o di molecole di anidride carbonica assorbite per quanto di luce. Questa cifra è inferiore a uno. Quindi, se vengono consumati 8 quanti di luce per assimilare una molecola di CO 2, la resa quantica è 0,125.

Struttura della catena di trasporto degli elettroni della fotosintesi e caratteristiche dei suoi componenti. La catena di trasporto degli elettroni della fotosintesi comprende abbastanza gran numero componenti situati nelle strutture della membrana dei cloroplasti. Quasi tutti i componenti, ad eccezione dei chinoni, sono proteine ​​contenenti gruppi funzionali capaci di cambiamenti redox reversibili e che agiscono come trasportatori di elettroni o elettroni insieme ai protoni. Numerosi trasportatori di ETC includono metalli (ferro, rame, manganese). I seguenti gruppi di composti possono essere considerati come i componenti più importanti del trasferimento di elettroni nella fotosintesi: citocromi, chinoni, nucleotidi piridinici, flavoproteine, nonché proteine ​​di ferro, proteine ​​di rame e proteine ​​di manganese. La posizione di questi gruppi nella CET è determinata principalmente dal valore del loro potenziale redox.

Le idee sulla fotosintesi, durante la quale viene rilasciato ossigeno, si sono formate sotto l'influenza dello schema Z del trasporto degli elettroni di R. Hill e F. Bendell. Questo schema è stato presentato sulla base delle misurazioni dei potenziali redox dei citocromi nei cloroplasti. La catena di trasporto degli elettroni è il sito di conversione energia fisica elettrone nell'energia del legame chimico e comprende PS I e PS II. Lo schema Z si basa sul funzionamento sequenziale e sull'integrazione del PSII con il PSI.

Il P 700 è il donatore primario di elettroni, è clorofilla (secondo alcune fonti, un dimero della clorofilla a), trasferisce un elettrone a un accettore intermedio e può essere ossidato fotochimicamente. A 0 - un accettore di elettroni intermedio - è un dimero della clorofilla a.

Gli accettori di elettroni secondari sono legati ai centri ferro-zolfo A e B. L'elemento strutturale delle proteine ​​​​ferro-zolfo è un reticolo di atomi di ferro e zolfo interconnessi, chiamato cluster ferro-zolfo.

La ferredossina, una proteina del ferro solubile nella fase stromale del cloroplasto situata all'esterno della membrana, trasferisce gli elettroni dal centro di reazione PSI al NADP, determinando la formazione di NADP-H, necessario per la fissazione della CO 2. Tutte le ferredossine solubili provenienti da organismi fotosintetici produttori di ossigeno (compresi i cianobatteri) sono del tipo 2Fe-2S.

Il componente di trasferimento degli elettroni è anche il citocromo f legato alla membrana. L'accettore di elettroni per il citocromo f legato alla membrana e il donatore diretto per il complesso clorofilla-proteina del centro di reazione è una proteina contenente rame, chiamata "vettore di distribuzione", plastocianina.

I cloroplasti contengono anche i citocromi b 6 e b 559. Il citocromo b 6, che è un polipeptide c peso molecolare 18 kDa, partecipa al trasferimento ciclico di elettroni.

Il complesso b 6 /f è un complesso integrale di membrana di polipeptidi contenenti citocromi di tipo b ed f. Il complesso del citocromo b 6 /f catalizza il trasporto di elettroni tra due fotosistemi.

Il complesso del citocromo b 6 /f ripristina un piccolo pool di metalloproteina idrosolubile - plastocianina (Pc), che serve a trasferire equivalenti riducenti al complesso PS I. La plastocianina è una piccola metalloproteina idrofobica che include atomi di rame.

I partecipanti alle reazioni primarie nel centro di reazione PS II sono il donatore di elettroni primario P 680, l'accettore intermedio feofitina e due plastochinoni (solitamente designati Q e B), situati vicino a Fe 2+. Il donatore di elettroni primario è una delle forme di clorofilla a, chiamata P 680, poiché a 680 nm è stato osservato un cambiamento significativo nell'assorbimento della luce.

L'accettore di elettroni primario in PS II è il plastochinone. Si presuppone che Q sia un complesso ferro-chinone. Anche l'accettore di elettroni secondario in PS II è plastochinone, denominato B, e funziona in serie con Q. Il sistema plastochinone/plastochinone trasferisce simultaneamente altri due protoni con due elettroni ed è quindi un sistema redox a due elettroni. Quando due elettroni vengono trasferiti lungo l'ETC attraverso il sistema plastochinone/plastochinone, due protoni vengono trasferiti attraverso la membrana tilacoide. Si ritiene che il gradiente di concentrazione di protoni che si crea sia la forza trainante del processo di sintesi dell'ATP. La conseguenza di ciò è un aumento della concentrazione di protoni all'interno dei tilacoidi e la comparsa di un significativo gradiente di pH tra i lati esterno ed interno della membrana tilacoide: da dentro l'ambiente è più acido di quello esterno.

2. Fosforilazione fotosintetica

L'acqua funge da donatore di elettroni per PS-2. Le molecole d'acqua, cedendo elettroni, si disintegrano in idrossile libero OH e protone H +. I radicali ossidrili liberi reagiscono tra loro per produrre H2O e O2. Si presuppone che gli ioni manganese e cloro partecipino come cofattori alla fotoossidazione dell'acqua.

Nel processo di fotolisi dell'acqua viene rivelata l'essenza del lavoro fotochimico svolto durante la fotosintesi. Ma l'ossidazione dell'acqua avviene a condizione che l'elettrone eliminato dalla molecola P 680 venga trasferito all'accettore e ulteriormente nella catena di trasporto degli elettroni (ETC). Nell'ETC del fotosistema-2, i trasportatori di elettroni sono plastochinone, citocromi, plastocianina (proteina contenente rame), FAD, NADP, ecc.

L'elettrone eliminato dalla molecola P 700 viene catturato da una proteina contenente ferro e zolfo e trasferito alla ferredossina. In futuro, il percorso di questo elettrone può essere duplice. Uno di questi percorsi consiste nel trasferimento sequenziale di elettroni dalla ferredossina attraverso una serie di trasportatori fino al P 700. Quindi il quanto di luce elimina l'elettrone successivo dalla molecola P 700. Questo elettrone raggiunge la ferredossina e ritorna alla molecola di clorofilla. La natura ciclica del processo è chiaramente visibile. Quando un elettrone viene trasferito dalla ferredossina, l'energia dell'eccitazione elettronica va alla formazione di ATP da ADP e H3PO4. Questo tipo di fotofosforilazione è stato nominato da R. Arnon ciclico . La fotofosforilazione ciclica può teoricamente avvenire anche con stomi chiusi, poiché per essa non è necessario lo scambio con l'atmosfera.

Fotofosforilazione non ciclica avviene con la partecipazione di entrambi i fotosistemi. In questo caso, gli elettroni e il protone H+ eliminati dal P 700 raggiungono la ferredossina e vengono trasferiti attraverso una serie di trasportatori (FAD, ecc.) al NADP con formazione di NADP·H 2 ridotto. Quest'ultimo, come forte agente riducente, viene utilizzato nelle reazioni oscure della fotosintesi. Allo stesso tempo, anche la molecola di clorofilla P 680, dopo aver assorbito un quanto di luce, entra in uno stato eccitato, cedendo un elettrone. Dopo aver attraversato una serie di portatori, l'elettrone compensa la carenza di elettroni nella molecola P 700. Il "buco" elettronico della clorofilla P 680 viene riempito da un elettrone dello ione OH, uno dei prodotti della fotolisi dell'acqua. L'energia di un elettrone espulso da P 680 da un quanto di luce, quando passa attraverso la catena di trasporto degli elettroni al fotosistema 1, va alla fotofosforilazione. Durante il trasporto non ciclico degli elettroni, come si può vedere dal diagramma, avviene la fotolisi dell'acqua e viene rilasciato ossigeno libero.

Il trasferimento di elettroni è alla base del meccanismo di fotofosforilazione considerato. Il biochimico inglese P. Mitchell propose la teoria della fotofosforilazione, chiamata teoria chemiosmotica. È noto che l'ETC dei cloroplasti è localizzato nella membrana tilacoide. Uno dei trasportatori di elettroni nell'ETC (plastochinone), secondo l'ipotesi di P. Mitchell, trasporta non solo elettroni, ma anche protoni (H +), spostandoli attraverso la membrana tilacoide nella direzione dall'esterno verso l'interno. All'interno della membrana tilacoide, con l'accumulo di protoni, l'ambiente diventa acido e, di conseguenza, si forma un gradiente di pH: il lato esterno diventa meno acido di quello interno. Questo gradiente aumenta anche a causa della fornitura di protoni, prodotti della fotolisi dell'acqua.

La differenza di pH tra l'esterno della membrana e l'interno crea una significativa fonte di energia. Con l'aiuto di questa energia, i protoni vengono espulsi attraverso canali speciali in speciali proiezioni a forma di fungo sul lato esterno della membrana tilacoide. Questi canali contengono un fattore di accoppiamento (una proteina speciale) che può prendere parte alla fotofosforilazione. Si presume che tale proteina sia l'enzima ATPasi, che catalizza la reazione di degradazione dell'ATP, ma in presenza dell'energia dei protoni che fluisce attraverso la membrana - e la sua sintesi. Finché esiste un gradiente di pH e, quindi, finché gli elettroni si muovono lungo la catena dei trasportatori nei fotosistemi, si verificherà anche la sintesi di ATP. Si calcola che per ogni due elettroni che passano attraverso l'ETC all'interno del tilacoide, si accumulano quattro protoni e per ogni tre protoni rilasciati con la partecipazione del fattore di coniugazione dalla membrana verso l'esterno, viene sintetizzata una molecola di ATP.

Pertanto, come risultato della fase luminosa, a causa dell'energia luminosa, si formano ATP e NADPH 2, utilizzati nella fase oscura, e il prodotto della fotolisi dell'acqua O 2 viene rilasciato nell'atmosfera. L'equazione generale per la fase luminosa della fotosintesi può essere espressa come segue:

2H2O + 2NADP + 2 ADP + 2 H3 PO4 → 2 NADPH 2 + 2 ATP + O2

Come spiegare in modo breve e chiaro un processo così complesso come la fotosintesi? Le piante sono gli unici organismi viventi in grado di produrre il proprio cibo. Come lo fanno? Per la crescita e ricevere tutte le sostanze necessarie da ambiente: diossido di carbonio- dall'aria, dall'acqua e - dal suolo. Hanno anche bisogno di energia, che ottengono dai raggi del sole. Questa energia innesca alcune reazioni chimiche durante le quali l'anidride carbonica e l'acqua vengono convertite in glucosio (cibo) e avviene la fotosintesi. L'essenza del processo può essere spiegata brevemente e chiaramente anche ai bambini in età scolare.

"Insieme alla Luce"

La parola "fotosintesi" deriva da due parole greche: "foto" e "sintesi", la cui combinazione significa "insieme alla luce". L'energia solare viene convertita in energia chimica. Equazione chimica della fotosintesi:

6CO 2 + 12H 2 O + luce = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.

Ciò significa che vengono utilizzate 6 molecole di anidride carbonica e dodici molecole di acqua (insieme a luce del sole) per produrre glucosio, producendo infine sei molecole di ossigeno e sei molecole di acqua. Se rappresenti questo come un'equazione verbale, ottieni quanto segue:

Acqua + sole => glucosio + ossigeno + acqua.

Il sole è una fonte di energia molto potente. Le persone cercano sempre di usarlo per generare elettricità, isolare le case, riscaldare l’acqua e così via. Le piante “hanno capito” come utilizzare l’energia solare milioni di anni fa perché era necessaria alla loro sopravvivenza. La fotosintesi può essere spiegata in modo breve e chiaro in questo modo: le piante utilizzano l'energia luminosa del sole e la convertono in energia chimica, il cui risultato è lo zucchero (glucosio), il cui eccesso viene immagazzinato come amido nelle foglie, radici, steli e semi della pianta. L'energia del sole viene trasferita alle piante, così come agli animali che mangiano queste piante. Quando una pianta ha bisogno di nutrienti per la crescita e altri processi vitali, queste riserve sono molto utili.

Come fanno le piante ad assorbire l'energia del sole?

Parlando di fotosintesi in modo breve e chiaro, vale la pena affrontare la questione di come le piante riescano ad assorbire l'energia solare. Ciò è dovuto alla speciale struttura delle foglie, che comprende cellule verdi - cloroplasti, che contengono una sostanza speciale chiamata clorofilla. Questo è ciò che dà alle foglie il loro colore verde ed è responsabile dell'assorbimento dell'energia dalla luce solare.

Perché la maggior parte delle foglie sono larghe e piatte?

La fotosintesi avviene nelle foglie delle piante. Il fatto sorprendente è che le piante sono molto ben adattate per catturare la luce solare e assorbire l’anidride carbonica. Grazie all'ampia superficie verrà catturata molta più luce. È per questo motivo che anche i pannelli solari, talvolta installati sui tetti delle case, sono larghi e piatti. Maggiore è la superficie, migliore è l'assorbimento.

Cos'altro è importante per le piante?

Come le persone, anche le piante hanno bisogno di nutrienti benefici per rimanere in salute, crescere e svolgere bene le loro funzioni vitali. Ottengono minerali disciolti nell'acqua dal terreno attraverso le loro radici. Se il terreno è carente di nutrienti minerali, la pianta non si svilupperà normalmente. Gli agricoltori spesso testano il terreno per assicurarsi che contenga abbastanza nutrienti per la crescita dei raccolti. Altrimenti ricorrere all'uso di fertilizzanti contenenti minerali essenziali per la nutrizione e la crescita delle piante.

Perché la fotosintesi è così importante?

Per spiegare brevemente e chiaramente la fotosintesi ai bambini, vale la pena dire che questo processo è una delle reazioni chimiche più importanti al mondo. Quali ragioni ci sono per una dichiarazione così forte? Innanzitutto, la fotosintesi nutre le piante, che a loro volta nutrono tutti gli altri esseri viventi sul pianeta, compresi gli animali e gli esseri umani. In secondo luogo, come risultato della fotosintesi, l'ossigeno necessario per la respirazione viene rilasciato nell'atmosfera. Tutti gli esseri viventi inalano ossigeno ed espirano anidride carbonica. Fortunatamente, le piante fanno il contrario, quindi sono molto importanti per l’uomo e gli animali, poiché danno loro la capacità di respirare.

Processo straordinario

Si scopre che le piante sanno anche respirare, ma, a differenza delle persone e degli animali, assorbono l'anidride carbonica dall'aria, non l'ossigeno. Anche le piante bevono. Ecco perché devi annaffiarli, altrimenti moriranno. Con l'aiuto del sistema radicale, l'acqua e le sostanze nutritive vengono trasportate a tutte le parti del corpo della pianta e l'anidride carbonica viene assorbita attraverso piccoli fori sulle foglie. Il fattore scatenante per l'avvio di una reazione chimica è la luce solare. Tutti i prodotti metabolici ottenuti vengono utilizzati dalle piante per la nutrizione, l'ossigeno viene rilasciato nell'atmosfera. In questo modo puoi spiegare brevemente e chiaramente come avviene il processo di fotosintesi.

Fotosintesi: fasi chiare e scure della fotosintesi

Il processo in esame si compone di due parti principali. Ci sono due fasi della fotosintesi (descrizione e tabella sotto). La prima è chiamata fase luminosa. Si verifica solo in presenza di luce nelle membrane dei tilacoidi con la partecipazione della clorofilla, delle proteine ​​​​di trasporto degli elettroni e dell'enzima ATP sintetasi. Cos’altro nasconde la fotosintesi? Si accendono e si sostituiscono man mano che il giorno e la notte avanzano (cicli di Calvino). Durante fase oscura avviene la produzione di quello stesso glucosio, nutrimento per le piante. Questo processo è anche chiamato reazione indipendente dalla luce.

Conclusione

Da tutto quanto sopra si possono trarre le seguenti conclusioni:

• La fotosintesi è un processo che produce energia dal sole.
• L'energia luminosa proveniente dal sole viene convertita in energia chimica dalla clorofilla.
• La clorofilla conferisce alle piante il loro colore verde.
• La fotosintesi avviene nei cloroplasti delle cellule fogliari delle piante.
• L'anidride carbonica e l'acqua sono necessarie per la fotosintesi.
• L'anidride carbonica entra nella pianta attraverso minuscoli fori, stomi e l'ossigeno esce attraverso di essi.
• L'acqua viene assorbita dalla pianta attraverso le sue radici.
• Senza la fotosintesi non ci sarebbe cibo al mondo.

La fotosintesi è un insieme di processi di trasformazione dell'energia luminosa nell'energia dei legami chimici materia organica con la partecipazione di coloranti fotosintetici.

Questo tipo di alimentazione è caratteristico delle piante, dei procarioti e di alcuni tipi di eucarioti unicellulari.

Durante la sintesi naturale, il carbonio e l'acqua, in interazione con la luce, vengono convertiti in glucosio e ossigeno libero:

6CO2 + 6H2O + energia luminosa → C6H12O6 + 6O2

La moderna fisiologia vegetale comprende il concetto di fotosintesi come una funzione fotoautotrofa, ovvero un insieme di processi di assorbimento, trasformazione e utilizzo dei quanti di energia luminosa in varie reazioni non spontanee, inclusa la conversione dell'anidride carbonica in materia organica.

Fasi

Fotosintesi nelle piante avviene nelle foglie attraverso i cloroplasti- organelli semiautonomi a doppia membrana appartenenti alla classe dei plastidi. La forma piatta delle lastre garantisce un assorbimento di alta qualità e il pieno utilizzo dell'energia luminosa e dell'anidride carbonica. L'acqua necessaria per la sintesi naturale proviene dalle radici attraverso i tessuti che conducono l'acqua. Lo scambio gassoso avviene per diffusione attraverso gli stomi e in parte attraverso la cuticola.

I cloroplasti sono pieni di stroma incolore e penetrati da lamelle che, quando collegate tra loro, formano i tilacoidi. È in loro che avviene la fotosintesi. Gli stessi cianobatteri sono cloroplasti, quindi l'apparato per la sintesi naturale in essi non è separato in un organello separato.

La fotosintesi procede con la partecipazione di pigmenti, che di solito sono clorofille. Alcuni organismi contengono un altro pigmento, un carotenoide o la ficobilina. I procarioti hanno il pigmento batterioclorofilla e questi organismi non rilasciano ossigeno una volta completata la sintesi naturale.

La fotosintesi attraversa due fasi: luce e buio. Ognuno di essi è caratterizzato da determinate reazioni e sostanze interagenti. Diamo uno sguardo più da vicino al processo delle fasi della fotosintesi.

Leggero

Prima fase della fotosintesi caratterizzato dalla formazione di prodotti ad alta energia, che sono l'ATP, la fonte di energia cellulare, e il NADP, l'agente riducente. Alla fine della fase, l'ossigeno viene prodotto come sottoprodotto. La fase luminosa avviene necessariamente con la luce solare.

Il processo di fotosintesi avviene nelle membrane tilacoidi con la partecipazione di proteine ​​di trasporto degli elettroni, ATP sintetasi e clorofilla (o altro pigmento).

Il funzionamento delle catene elettrochimiche, attraverso le quali vengono trasferiti gli elettroni e in parte i protoni dell'idrogeno, si forma in complessi complessi formati da pigmenti ed enzimi.

Descrizione del processo della fase leggera:

1. Quando la luce solare colpisce le lamine fogliari degli organismi vegetali, gli elettroni della clorofilla vengono eccitati nella struttura delle placche;
2. Nello stato attivo, le particelle lasciano la molecola del pigmento e si depositano sul lato esterno del tilacoide, che è carico negativamente. Ciò avviene contemporaneamente all'ossidazione e successiva riduzione delle molecole di clorofilla, che sottraggono all'acqua gli elettroni successivi che entrano nelle foglie;
3. Successivamente avviene la fotolisi dell'acqua con formazione di ioni, che donano elettroni e vengono convertiti in radicali OH che possono partecipare ad ulteriori reazioni;
4. Questi radicali poi si combinano per formare molecole di acqua e ossigeno libero rilasciato nell'atmosfera;
5. La membrana tilacoide acquisisce una carica positiva da un lato a causa dello ione idrogeno e dall'altro una carica negativa dovuta agli elettroni;
6. Quando viene raggiunta una differenza di 200 mV tra i lati della membrana, i protoni passano attraverso l'enzima ATP sintetasi, che porta alla conversione dell'ADP in ATP (processo di fosforilazione);
7. Con l'idrogeno atomico rilasciato dall'acqua, il NADP+ si riduce a NADP H2;

Mentre l'ossigeno libero viene rilasciato nell'atmosfera durante le reazioni, l'ATP e il NADP H2 partecipano alla fase oscura della sintesi naturale.

Buio

Un componente obbligatorio per questa fase è l'anidride carbonica., che le piante assorbono costantemente dall'ambiente esterno attraverso gli stomi presenti nelle foglie. I processi della fase oscura hanno luogo nello stroma del cloroplasto. Poiché in questa fase non è necessaria molta energia solare e durante la fase luminosa vengono prodotti abbastanza ATP e NADP H2, le reazioni negli organismi possono avvenire sia di giorno che di notte. I processi in questa fase si verificano più velocemente rispetto a quello precedente.

La totalità di tutti i processi che si verificano nella fase oscura è presentata sotto forma di una catena unica di trasformazioni sequenziali dell'anidride carbonica proveniente dall'ambiente esterno:

1. La prima reazione in una tale catena è la fissazione dell'anidride carbonica. La presenza dell'enzima RiBP-carbossilasi contribuisce al decorso rapido e regolare della reazione, che porta alla formazione di un composto a sei atomi di carbonio che si scompone in 2 molecole di acido fosfoglicerico;
2. Quindi si verifica un ciclo piuttosto complesso, che include un certo numero di reazioni, al termine delle quali l'acido fosfoglicerico viene convertito in zucchero naturale: glucosio. Questo processo è chiamato ciclo di Calvin;

Insieme allo zucchero avviene anche la formazione di acidi grassi, aminoacidi, glicerolo e nucleotidi.

L'essenza della fotosintesi

Dalla tabella che mette a confronto le fasi luminose e oscure della sintesi naturale, puoi descrivere brevemente l'essenza di ciascuna di esse. La fase luminosa avviene nella grana del cloroplasto con l'inclusione obbligatoria dell'energia luminosa nella reazione. Le reazioni coinvolgono componenti come proteine ​​di trasferimento degli elettroni, ATP sintetasi e clorofilla che, interagendo con l'acqua, formano ossigeno libero, ATP e NADP H2. Per la fase oscura, che si verifica nello stroma del cloroplasto, la luce solare non è necessaria. L'ATP e il NADP H2 ottenuti nella fase precedente, interagendo con l'anidride carbonica, formano lo zucchero naturale (glucosio).

Come si può vedere da quanto sopra, la fotosintesi sembra essere un fenomeno piuttosto complesso e multifase, comprendente molte reazioni che coinvolgono diverse sostanze. Come risultato della sintesi naturale si ottiene l'ossigeno, necessario per la respirazione degli organismi viventi e la loro protezione dalle radiazioni ultraviolette attraverso la formazione dello strato di ozono.

Ogni essere vivente sul pianeta ha bisogno di cibo o energia per sopravvivere. Alcuni organismi si nutrono di altre creature, mentre altri possono produrre i propri nutrienti. Producono il proprio cibo, il glucosio, in un processo chiamato fotosintesi.

La fotosintesi e la respirazione sono interconnesse. Il risultato della fotosintesi è il glucosio, che viene immagazzinato come energia chimica. Questa energia chimica immagazzinata risulta dalla conversione del carbonio inorganico (anidride carbonica) in carbonio organico. Il processo di respirazione rilascia l’energia chimica immagazzinata.

Oltre ai prodotti che producono, le piante hanno bisogno anche di carbonio, idrogeno e ossigeno per sopravvivere. L'acqua assorbita dal suolo fornisce idrogeno e ossigeno. Durante la fotosintesi, il carbonio e l'acqua vengono utilizzati per sintetizzare il cibo. Anche le piante hanno bisogno di nitrati per produrre aminoacidi (un amminoacido è un ingrediente per produrre proteine). Inoltre, hanno bisogno del magnesio per produrre la clorofilla.

La nota: Gli esseri viventi che dipendono da altri alimenti vengono chiamati . Gli erbivori come le mucche e le piante che mangiano insetti sono esempi di eterotrofi. Vengono chiamati gli esseri viventi che producono il proprio cibo. Le piante verdi e le alghe sono esempi di organismi autotrofi.

In questo articolo imparerai di più su come avviene la fotosintesi nelle piante e sulle condizioni necessarie per questo processo.

Definizione di fotosintesi

La fotosintesi è il processo chimico mediante il quale le piante, alcune alghe, producono glucosio e ossigeno dall'anidride carbonica e dall'acqua, utilizzando solo la luce come fonte di energia.

Questo processo è estremamente importante per la vita sulla Terra perché libera ossigeno, da cui dipende tutta la vita.

Perché le piante hanno bisogno di glucosio (cibo)?

Come gli esseri umani e altri esseri viventi, anche le piante necessitano di nutrimento per sopravvivere. L’importanza del glucosio per le piante è la seguente:

• Il glucosio prodotto dalla fotosintesi viene utilizzato durante la respirazione per rilasciare l'energia di cui la pianta ha bisogno per altri processi vitali.
• Le cellule vegetali convertono anche parte del glucosio in amido, che viene utilizzato secondo necessità. Per questo motivo le piante morte vengono utilizzate come biomassa perché immagazzinano energia chimica.
• Il glucosio è necessario anche per produrre altre sostanze chimiche come proteine, grassi e zuccheri vegetali necessari per sostenere la crescita e altri processi importanti.

Fasi della fotosintesi

Il processo di fotosintesi è diviso in due fasi: luce e buio.

Fase leggera della fotosintesi

Come suggerisce il nome, le fasi luminose richiedono la luce solare. Nelle reazioni dipendenti dalla luce, l'energia solare viene assorbita dalla clorofilla e convertita in energia chimica immagazzinata sotto forma della molecola trasportatrice di elettroni NADPH (nicotinammide adenina dinucleotide fosfato) e della molecola energetica ATP (adenosina trifosfato). Le fasi leggere si verificano nelle membrane tilacoidi all'interno del cloroplasto.

Fase oscura della fotosintesi o ciclo di Calvin

Nella fase oscura o ciclo di Calvin, gli elettroni eccitati della fase luminosa forniscono energia per la formazione di carboidrati dalle molecole di anidride carbonica. Le fasi indipendenti dalla luce sono talvolta chiamate ciclo di Calvin a causa della natura ciclica del processo.

Sebbene le fasi oscure non utilizzino la luce come reagente (e, di conseguenza, possano verificarsi durante il giorno o la notte), per funzionare richiedono i prodotti delle reazioni dipendenti dalla luce. Le molecole indipendenti dalla luce dipendono dalle molecole portatrici di energia ATP e NADPH per creare nuove molecole di carboidrati. Una volta trasferita l’energia, le molecole portatrici di energia ritornano nelle fasi luminose per produrre elettroni più energetici. Inoltre, diversi enzimi della fase oscura vengono attivati ​​dalla luce.

Diagramma delle fasi della fotosintesi

La nota: Ciò significa che le fasi buie non continueranno se le piante vengono private della luce per troppo tempo, poiché utilizzano i prodotti delle fasi luminose.

La struttura delle foglie delle piante

Non possiamo studiare a fondo la fotosintesi senza saperne di più sulla struttura della foglia. La foglia è adattata per svolgere un ruolo vitale nel processo di fotosintesi.

Struttura esterna delle foglie

• Piazza

Una delle caratteristiche più importanti delle piante è l'ampia superficie delle loro foglie. La maggior parte delle piante verdi ha foglie larghe, piatte e aperte in grado di catturare tutta l'energia solare (luce solare) necessaria per la fotosintesi.

• Vena centrale e picciolo

La nervatura centrale e il picciolo si uniscono e formano la base della foglia. Il picciolo posiziona la foglia in modo che riceva quanta più luce possibile.

• Foglia Lama

Le foglie semplici hanno una lamina fogliare, mentre le foglie complesse ne hanno diverse. La lamina fogliare è uno dei componenti più importanti della foglia, direttamente coinvolto nel processo di fotosintesi.

• Vene

Una rete di vene nelle foglie trasporta l'acqua dagli steli alle foglie. Il glucosio rilasciato viene inviato anche ad altre parti della pianta dalle foglie attraverso le vene. Inoltre, queste parti fogliari supportano e mantengono piatta la lama fogliare per una maggiore cattura della luce solare. La disposizione delle vene (venatura) dipende dal tipo di pianta.

• Base fogliare

La base della foglia è la sua parte più bassa, che si articola con il fusto. Spesso alla base della foglia sono presenti una coppia di stipole.

• Bordo fogliare

A seconda del tipo di pianta, il bordo della foglia può assumere diverse forme, tra cui: intero, frastagliato, seghettato, dentellato, crenato, ecc.

• Punta della foglia

Come il bordo della foglia, anche la punta può assumere varie forme, tra cui: affilata, arrotondata, ottusa, allungata, allungata, ecc.

Struttura interna delle foglie

Di seguito è riportato un diagramma dettagliato della struttura interna dei tessuti fogliari:

• Cuticola

La cuticola funge da strato protettivo principale sulla superficie della pianta. Di norma, è più spesso nella parte superiore della foglia. La cuticola è ricoperta da una sostanza cerosa che protegge la pianta dall'acqua.

• Epidermide

L'epidermide è uno strato di cellule che costituisce il tessuto di rivestimento della foglia. La sua funzione principale è quella di proteggere i tessuti interni della foglia dalla disidratazione, dai danni meccanici e dalle infezioni. Regola anche il processo di scambio gassoso e di traspirazione.

• Mesofillo

La mesofilla è il tessuto principale di una pianta. È qui che avviene il processo di fotosintesi. Nella maggior parte delle piante il mesofillo è diviso in due strati: quello superiore è a palizzata e quello inferiore è spugnoso.

• Gabbie da difesa

Le cellule di guardia sono cellule specializzate nell'epidermide delle foglie che vengono utilizzate per controllare lo scambio di gas. Svolgono una funzione protettiva per gli stomi. I pori stomatici si allargano quando l'acqua è liberamente disponibile, altrimenti le cellule protettive diventano lente.

• Stoma

La fotosintesi dipende dalla penetrazione dell'anidride carbonica (CO2) dall'aria attraverso gli stomi nel tessuto del mesofillo. L'ossigeno (O2), prodotto come sottoprodotto della fotosintesi, lascia la pianta attraverso gli stomi. Quando gli stomi sono aperti, l'acqua viene persa per evaporazione e deve essere sostituita, attraverso il flusso traspiratorio, dall'acqua assorbita dalle radici. Le piante sono costrette a bilanciare la quantità di CO2 assorbita dall'aria e la perdita di acqua attraverso i pori stomatici.

Condizioni necessarie per la fotosintesi

Di seguito sono riportate le condizioni necessarie alle piante per svolgere il processo di fotosintesi:

• Diossido di carbonio. Un gas naturale incolore e inodore che si trova nell'aria e ha il nome scientifico CO2. Si forma durante la combustione del carbonio e dei composti organici e si verifica anche durante la respirazione.
• Acqua. Liquido trasparente Sostanza chimica inodore e insapore (in condizioni normali).
• Leggero. Sebbene la luce artificiale sia adatta anche alle piante, la luce solare naturale tende a creare Condizioni migliori per la fotosintesi, perché contiene radiazioni ultraviolette naturali, che hanno influenza positiva sulle piante.
• Clorofilla.È un pigmento verde presente nelle foglie delle piante.
• Nutrienti e minerali. Prodotti chimici e composti organici, che le radici delle piante assorbono dal terreno.

Cosa viene prodotto come risultato della fotosintesi?

• Glucosio;
• Ossigeno.

(L'energia luminosa è mostrata tra parentesi perché non è materia)

La nota: Le piante ottengono CO2 dall'aria attraverso le foglie e acqua dal terreno attraverso le radici. L'energia luminosa proviene dal sole. L'ossigeno risultante viene rilasciato nell'aria dalle foglie. Il glucosio risultante può essere convertito in altre sostanze, come l'amido, che viene utilizzato come riserva energetica.

Se i fattori che promuovono la fotosintesi sono assenti o presenti in quantità insufficienti, la pianta può risentirne negativamente. Ad esempio, meno luce crea condizioni favorevoli per gli insetti che mangiano le foglie della pianta e la mancanza d'acqua la rallenta.

Dove avviene la fotosintesi?

La fotosintesi avviene all'interno delle cellule vegetali, in piccoli plastidi chiamati cloroplasti. I cloroplasti (che si trovano principalmente nello strato del mesofillo) contengono una sostanza verde chiamata clorofilla. Di seguito sono riportate altre parti della cellula che collaborano con il cloroplasto per effettuare la fotosintesi.

Struttura di una cellula vegetale

Funzioni delle parti della cellula vegetale

• : fornisce supporto strutturale e meccanico, protegge le cellule, fissa e determina la forma cellulare, controlla la velocità e la direzione della crescita e dà forma alle piante.
• : fornisce una piattaforma per la maggior parte dei processi chimici controllati da enzimi.
• : agisce come una barriera, controllando il movimento delle sostanze dentro e fuori la cellula.
• : come sopra descritto contengono clorofilla, una sostanza verde che assorbe l'energia luminosa attraverso il processo della fotosintesi.
• : una cavità all'interno del citoplasma cellulare che immagazzina acqua.
• : contiene un marchio genetico (DNA) che controlla le attività della cellula.

La clorofilla assorbe l'energia luminosa necessaria per la fotosintesi. È importante notare che non tutte le lunghezze d'onda dei colori della luce vengono assorbite. Le piante assorbono principalmente le lunghezze d'onda rosse e blu, non assorbono la luce nella gamma verde.

Anidride carbonica durante la fotosintesi

Le piante assorbono l'anidride carbonica dall'aria attraverso le foglie. L'anidride carbonica fuoriesce attraverso un piccolo foro sul fondo della foglia: gli stomi.

La parte inferiore della foglia ha cellule poco distanziate per consentire all'anidride carbonica di raggiungere altre cellule nelle foglie. Ciò consente anche all'ossigeno prodotto dalla fotosintesi di lasciare facilmente la foglia.

L'anidride carbonica è presente nell'aria che respiriamo in concentrazioni molto basse ed è un fattore necessario nella fase oscura della fotosintesi.

Luce durante la fotosintesi

La foglia di solito ha vasta area superficie, quindi può assorbire molta luce. La sua superficie superiore è protetta dalla perdita d'acqua, dalle malattie e dagli agenti atmosferici da uno strato ceroso (cuticola). La parte superiore del foglio è il punto in cui colpisce la luce. Questo strato mesofillo è chiamato palizzata. È adatto ad assorbire una grande quantità di luce, perché contiene molti cloroplasti.

Nelle fasi luminose, il processo di fotosintesi aumenta con più luce. Se i fotoni luminosi vengono concentrati su una foglia verde, vengono ionizzate più molecole di clorofilla e vengono generati più ATP e NADPH. Sebbene la luce sia estremamente importante nelle fotofasi, va notato che quantità eccessive possono danneggiare la clorofilla e ridurre il processo di fotosintesi.

Le fasi luminose non dipendono molto dalla temperatura, dall'acqua o dall'anidride carbonica, sebbene siano tutte necessarie per completare il processo di fotosintesi.

Acqua durante la fotosintesi

Le piante ottengono l'acqua di cui hanno bisogno per la fotosintesi attraverso le radici. Hanno peli radicali che crescono nel terreno. Le radici sono caratterizzate da un'ampia superficie e pareti sottili, che consentono all'acqua di attraversarle facilmente.

L'immagine mostra le piante e le loro cellule con abbastanza acqua (a sinistra) e mancanza di acqua (a destra).

La nota: Le cellule radicali non contengono cloroplasti perché di solito sono al buio e non possono fotosintetizzare.

Se la pianta non assorbe abbastanza acqua, appassisce. Senza acqua, la pianta non sarà in grado di fotosintetizzare abbastanza velocemente e potrebbe addirittura morire.

Qual è l'importanza dell'acqua per le piante?

• Fornisce minerali disciolti che supportano la salute delle piante;
• È un mezzo di trasporto;
• Mantiene stabilità e verticalità;
• Raffredda e satura di umidità;
• Permette di effettuare varie reazioni chimiche nelle cellule vegetali.

L'importanza della fotosintesi in natura

Il processo biochimico della fotosintesi utilizza l'energia della luce solare per convertire l'acqua e l'anidride carbonica in ossigeno e glucosio. Il glucosio viene utilizzato come elemento costitutivo nelle piante per la crescita dei tessuti. Pertanto, la fotosintesi è il metodo mediante il quale si formano radici, steli, foglie, fiori e frutti. Senza il processo di fotosintesi, le piante non sarebbero in grado di crescere o riprodursi.

• Produttori

Grazie alla loro capacità fotosintetica, le piante sono conosciute come produttrici e costituiscono la base di quasi ogni catena alimentare sulla Terra. (Le alghe sono l'equivalente delle piante). Tutto il cibo che mangiamo proviene da organismi fotosintetici. Mangiamo direttamente queste piante o mangiamo animali come mucche o maiali che consumano alimenti vegetali.

• Base della catena alimentare

All'interno dei sistemi acquatici, anche le piante e le alghe costituiscono la base della catena alimentare. Le alghe servono da cibo e, a loro volta, fungono da fonte di nutrimento per gli organismi più grandi. Senza la fotosintesi negli ambienti acquatici la vita non sarebbe possibile.

• Rimozione dell'anidride carbonica

La fotosintesi converte l'anidride carbonica in ossigeno. Durante la fotosintesi, l'anidride carbonica dall'atmosfera entra nella pianta e viene poi rilasciata sotto forma di ossigeno. Nel mondo di oggi, dove i livelli di anidride carbonica stanno aumentando a ritmi allarmanti, qualsiasi processo che rimuova l’anidride carbonica dall’atmosfera è importante dal punto di vista ambientale.

• Ciclo dei nutrienti

Le piante e altri organismi fotosintetici svolgono un ruolo vitale nel ciclo dei nutrienti. L'azoto presente nell'aria viene fissato nel tessuto vegetale e diventa disponibile per la creazione di proteine. I micronutrienti presenti nel suolo possono anche essere incorporati nei tessuti vegetali e diventare disponibili per gli erbivori più in alto nella catena alimentare.

• Dipendenza fotosintetica

La fotosintesi dipende dall'intensità e dalla qualità della luce. All’equatore, dove la luce solare è abbondante tutto l’anno e l’acqua non è un fattore limitante, le piante hanno tassi di crescita elevati e possono diventare piuttosto grandi. Al contrario, la fotosintesi avviene meno frequentemente nelle parti più profonde dell’oceano perché la luce non penetra in questi strati, risultando in un ecosistema più sterile.

È meglio spiegare un materiale così voluminoso come la fotosintesi in due lezioni accoppiate, quindi l'integrità della percezione dell'argomento non andrà persa. La lezione deve iniziare con la storia dello studio della fotosintesi, la struttura dei cloroplasti e il lavoro di laboratorio sullo studio dei cloroplasti fogliari. Successivamente è necessario passare allo studio delle fasi luminose e oscure della fotosintesi. Per spiegare le reazioni che avvengono in queste fasi è necessario redigere uno schema generale:

Mentre spieghi, devi disegnare diagramma della fase luminosa della fotosintesi.

1. L'assorbimento di un quanto di luce da parte di una molecola di clorofilla, che si trova nelle membrane del grana tilacoide, porta alla perdita di un elettrone e lo trasferisce in uno stato eccitato. Gli elettroni vengono trasferiti lungo la catena di trasporto degli elettroni, con conseguente riduzione di NADP+ a NADP H.

2. Il posto degli elettroni rilasciati nelle molecole di clorofilla è preso dagli elettroni delle molecole d'acqua: è così che l'acqua subisce la decomposizione (fotolisi) sotto l'influenza della luce. Gli idrossili risultanti OH– diventano radicali e si combinano nella reazione 4 OH – → 2 H 2 O +O 2, portando al rilascio di ossigeno libero nell'atmosfera.

3. Gli ioni idrogeno H+ non penetrano nella membrana tilacoide e si accumulano all'interno, caricandola positivamente, il che porta ad un aumento della differenza di potenziale elettrico (EPD) attraverso la membrana tilacoide.

4. Quando viene raggiunto il REF critico, i protoni fuoriescono attraverso il canale protonico. Questo flusso di particelle caricate positivamente viene utilizzato per produrre energia chimica utilizzando uno speciale complesso enzimatico. Le molecole di ATP risultanti si spostano nello stroma, dove partecipano alle reazioni di fissazione del carbonio.

5. Gli ioni idrogeno rilasciati sulla superficie della membrana tilacoide si combinano con gli elettroni, formando idrogeno atomico, che viene utilizzato per ripristinare il trasportatore NADP +.

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Dopo aver considerato questo problema, analizzandolo nuovamente secondo lo schema, invitiamo gli studenti a compilare la tabella.

Tavolo. Reazioni delle fasi chiare e scure della fotosintesi

Dopo aver compilato la prima parte della tabella si può procedere all'analisi fase oscura della fotosintesi.

Nello stroma del cloroplasto sono costantemente presenti pentosi: carboidrati, che sono composti a cinque atomi di carbonio che si formano nel ciclo di Calvin (ciclo di fissazione dell'anidride carbonica).

1. L'anidride carbonica viene aggiunta al pentoso, formando un composto instabile a sei atomi di carbonio, che si scompone in due molecole di acido 3-fosfoglicerico (PGA).

2. Le molecole PGA accettano un gruppo fosfato dall'ATP e si arricchiscono di energia.

3. Ciascuno degli FHA attacca un atomo di idrogeno da due portatori, trasformandosi in un triosio. I triosi si combinano per formare glucosio e poi amido.

4. Molecole di triosio che si combinano per formare diverse combinazioni, formano pentosi e rientrano nel ciclo.

Reazione totale della fotosintesi:

Schema. Processo di fotosintesi

Test

1. La fotosintesi avviene negli organelli:

a) mitocondri;
b) ribosomi;
c) cloroplasti;
d) cromoplasti.

2. Il pigmento clorofilliano è concentrato in:

a) guscio di cloroplasto;
b) stroma;
c) cereali.

3. La clorofilla assorbe la luce nella regione dello spettro:

un rosso;
b) verde;
c) viola;
d) su tutto il territorio regionale.

4. L'ossigeno libero durante la fotosintesi viene rilasciato durante la scomposizione di:

a) anidride carbonica;
b) ATP;
c) NADP;
d) acqua.

5. L'ossigeno libero si forma in:

a) fase oscura;
b) fase leggera.

6. Nella fase leggera della fotosintesi, l’ATP:

a) sintetizzato;
b) si divide.

7. Nel cloroplasto il carboidrato primario si forma in:

a) fase luminosa;
b) fase oscura.

8. Il NADP è necessario nel cloroplasto:

1) come trappola per elettroni;
2) come enzima per la formazione dell'amido;
3) come parte integrante della membrana dei cloroplasti;
4) come enzima per la fotolisi dell'acqua.

9. La fotolisi dell'acqua è:

1) accumulo di acqua sotto l'influenza della luce;
2) dissociazione dell'acqua in ioni sotto l'influenza della luce;
3) rilascio di vapore acqueo attraverso gli stomi;
4) iniezione di acqua nelle foglie sotto l'influenza della luce.

10. Sotto l'influenza dei quanti di luce:

1) la clorofilla viene convertita in NADP;
2) un elettrone lascia la molecola di clorofilla;
3) il cloroplasto aumenta di volume;
4) la clorofilla viene convertita in ATP.

LETTERATURA

Bogdanova T.P., Solodova E.A. Biologia. Manuale per studenti delle scuole superiori e candidati alle università. – M.: LLC “AST-Press School”, 2007.