Что такое оксигенный фотосинтез
Процесс фотосинтеза, организмы, типы, факторы и функции
фотосинтез Это биологический процесс, при котором солнечный свет превращается в химическую энергию и накапливается в органических молекулах. Это связь между солнечной энергией и жизнью на Земле.
Метаболически растения классифицируются как автотрофные. Это означает, что им не нужно потреблять пищу, чтобы выжить, поскольку она способна генерировать ее самостоятельно посредством фотосинтеза. Все растения, водоросли и даже некоторые бактерии являются фотосинтезирующими организмами, характеризующимися зеленым цветом тканей или структур.
Этот процесс происходит в органеллах, называемых хлоропластами: мембранные субклеточные компартменты, которые содержат ряд белков и ферментов, которые позволяют развитие сложных реакций. Кроме того, это физическое место, где хранится хлорофилл, необходимый пигмент для фотосинтеза.
Путь, по которому углерод идет во время фотосинтеза, начиная с диоксида углерода и заканчивая молекулой сахара, известен с замечательной детализацией. Исторически маршрут был разделен на светящуюся и темную фазы, пространственно разделенные в хлоропласте.
Светящаяся фаза происходит в мембране хлоропластного тилакоида и включает в себя разрыв молекулы воды в кислороде, протонах и электронах. Последние передаются через мембрану для создания резервуара энергии в виде АТФ и НАДФН, которые используются на следующем этапе.
Темная фаза фотосинтеза происходит в строме хлоропласта. Он заключается в конверсии углекислого газа (СО2) в углеводах с помощью ферментов цикла Кальвина-Бенсона.
Историческая перспектива
Ранее считалось, что растения получают пищу благодаря присутствию в почве гумуса способом, аналогичным питанию животных. Эти мысли пришли от древних философов, таких как Эмпедокл и Аристотель. Они предположили, что корни вели себя как пуповины или «рты», которые питали растение.
Это видение постепенно изменилось благодаря усердной работе десятков исследователей в семнадцатом и девятнадцатом веках, которые раскрыли основы фотосинтеза.
Наблюдения за процессом фотосинтеза начались около 200 лет назад, когда Джозеф Пристли пришел к выводу, что фотосинтез является обратным явлением клеточного дыхания. Этот исследователь обнаружил, что весь кислород, присутствующий в атмосфере, производится растениями путем фотосинтеза.
Впоследствии стали появляться веские доказательства необходимости воды, углекислого газа и солнечного света для эффективного осуществления этого процесса..
В начале XIX века молекула хлорофилла была впервые выделена, и стало возможным понять, как фотосинтез приводит к накоплению химической энергии..
Внедрение новаторских подходов, таких как газообменная стехиометрия, позволило идентифицировать крахмал как продукт фотосинтеза. Кроме того, фотосинтез был одной из первых тем в биологии, изучаемой с использованием стабильных изотопов..
Уравнение фотосинтеза
Общее уравнение
С химической точки зрения, фотосинтез является окислительно-восстановительной реакцией, когда некоторые виды окисляются и высвобождают свои электроны другим видам, которые сокращаются..
Общий процесс фотосинтеза можно обобщить в следующем уравнении: H2O + свет + CO2 → CH2O + O2. Где термин СН2ИЛИ (одна шестая часть молекулы глюкозы) относится к органическим соединениям, называемым сахарами, которые растение будет использовать позже, таким как сахароза или крахмал.
Светящаяся и темная фаза
Это уравнение можно разбить на два более конкретных уравнения для каждой стадии фотосинтеза: светлая фаза и темная фаза.
ΔG° из реакций
Где фотосинтезирующий организм получает эту энергию, чтобы происходили реакции? От солнечного света.
Где это происходит??
У большинства растений основной орган, где происходит процесс, находится на листе. В этих тканях мы находим небольшие шаровидные структуры, называемые устьицами, которые контролируют вход и выход газов.
Клетки, которые составляют зеленую ткань, могут иметь до 100 хлоропластов внутри. Эти компартменты структурированы двумя внешними мембранами и водной фазой, называемой стромой, где расположена третья мембранная система: тилакоид.
Процесс (фазы)
Светящаяся фаза
В тилакоидной мембране фотосинтетические пигменты организованы в фотоцентры, которые содержат сотни молекул пигмента, которые действуют как антенна, которая поглощает свет и передает энергию молекуле хлорофилла, называемой «реакционным центром»..
Реакционный центр состоит из трансмембранных белков, связанных с цитохромом. Он передает электроны другим молекулам в цепи переноса электронов через ряд мембранных белков. Это явление связано с синтезом АТФ и НАДФН.
Белки участвуют
Энергия, создаваемая протонным градиентом, используется четвертым комплексом, АТФ-синтазой, которая связывает поток протонов с синтезом АТФ. Обратите внимание, что одно из наиболее важных различий в отношении дыхания заключается в том, что энергия становится не только АТФ, но и НАДФН..
фотосистемы
Фотосистема I состоит из молекулы хлорофилла с пиком поглощения 700 нанометров, поэтому она называется P700. Аналогично, пик поглощения фотосистемы II составляет 680, сокращенно P680.
Электроны, полученные в результате разрыва, переносятся в жирорастворимое соединение: пластохинон, который переносит электроны из фотосистемы II в комплекс цитохрома. Б.Ф., генерация дополнительной накачки протонов.
Из фотосистемы II электроны переходят к пластоцианину и фотосистеме I, которая использует высокоэнергетические электроны для восстановления НАДФ + НАДФ. Электроны, наконец, достигают ферродоксина и генерируют НАДФН.
Электронный циклический поток
Существует альтернативный путь, при котором синтез АТФ не включает синтез НАДФН, как правило, для снабжения энергией необходимых метаболических процессов. Поэтому решение о том, генерируется ли ATP или NADPH, зависит от текущих потребностей ячейки..
Пластоцианин возвращает электроны в фотосистему I, завершая транспортный цикл и перекачивая протоны в комплекс цитохрома Б.Ф..
Другие пигменты
В светящейся фазе фотосинтеза происходит продуцирование элементов, потенциально вредных для клетки, таких как «кислород в синглете». Каротиноиды ответственны за предотвращение образования соединения или предотвращение повреждения тканей..
Темная фаза
Целью этого начального процесса является использование энергии солнца для производства NADPH (никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфат или «восстанавливающая способность») и ATP (аденозинтрифосфат, или «энергетическая валюта клетки»). Эти элементы будут использоваться в темной фазе.
Прежде чем описывать биохимические стадии, вовлеченные в эту фазу, необходимо уточнить, что, хотя она называется «темная фаза», она не обязательно происходит в полной темноте. Исторически термин пытался сделать ссылку на независимость света. Другими словами, фаза может возникать при наличии или отсутствии света.
Однако, поскольку фаза зависит от реакций, происходящих в легкой фазе, для которой требуется свет, правильно называть эту серию стадий углеродными реакциями..
Цикл Кальвина
На этом этапе происходит цикл Кальвина или три углеродных пути, биохимический путь, описанный в 1940 году американским исследователем Мелвином Кальвином. Открытие цикла было удостоено Нобелевской премии в 1961 году.
В целом, описаны три основных этапа цикла: карбоксилирование акцептора СО2, восстановление 3-фосфоглицерата и регенерация акцептора СО2.
Цикл начинается с включения или «фиксации» углекислого газа. Восстановите углерод, чтобы получить углеводы путем добавления электронов, и используйте NADPH в качестве восстановительной способности..
В каждом цикле требуется включение молекулы диоксида углерода, которая реагирует с бифосфатом рибулозы, образуя два соединения из трех атомов углерода, которые восстанавливаются и восстанавливают молекулу рибулозы. Три оборота цикла приводят к молекуле глицеральгидфосфата.
Следовательно, для получения шестиуглеродного сахара, такого как глюкоза, необходимо шесть циклов..
Фотосинтетические организмы
Фотосинтетическая способность организмов проявляется в двух доменах, состоящих из бактерий и эукариот. Основываясь на этом свидетельстве, люди, которые понимают область архей, лишены этого биохимического пути.
Фотосинтетические организмы появились примерно от 3,2 до 3,5 миллиардов лет назад в виде структурированных строматолитов, похожих на современные цианобактерии..
Логично, что фотосинтезирующий организм не может быть признан таковым в ископаемых записях. Тем не менее, выводы могут быть сделаны с учетом их морфологии или геологического контекста..
Что касается бактерий, то способность принимать солнечный свет и превращать его в сахара, по-видимому, широко распространена в некоторых типах, хотя, по-видимому, нет явной картины эволюции.
Наиболее примитивные фотосинтетические клетки встречаются в бактериях. У них есть бактериохлорофилл пигмент, а не известный хлорофилл зеленых растений.
Фотосинтетические бактериальные группы включают цианобактерии, протобактерии, зеленые серные бактерии, Firmicutes, нитчатые бескислородные фототрофы и ацидобактерии.
Что касается растений, то все они обладают способностью осуществлять фотосинтез. На самом деле, это самая отличительная черта этой группы.
Типы фотосинтеза
Оксигенный и аноксигенный фотосинтез
Фотосинтез можно классифицировать по-разному. Первая классификация учитывает, использует ли организм воду для сокращения углекислого газа. Итак, у нас есть кислородные фотосинтезирующие организмы, в состав которых входят растения, водоросли и цианобактерии.
Напротив, когда организм не использует воду, их называют аноксигенными фотосинтезирующими организмами. Эта группа включает зеленые и пурпурные бактерии, например роды Chlorobium и СНготаИит, которые используют серу или газообразный водород, чтобы уменьшить диоксид углерода.
Типы обмена веществ С4 и CAM
Фотосинтез также можно классифицировать в соответствии с физиологическими адаптациями растений..
Снижение СО происходит у фотосинтетических эукариот2 выходя из атмосферы в углеводы в цикле Кальвина. Этот процесс начинается с фермента рубиско (рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы / оксигеназы), и первым образующимся стабильным соединением является 3-фосфоглицериновая кислота, три углерода.
В условиях теплового стресса, называемого сильным излучением или засухой, фермент рубиско не может дифференцироваться между2 и СО2. Это явление заметно снижает эффективность фотосинтеза и называется фотодыханием.
По этим причинам существуют растения с особым фотосинтетическим метаболизмом, которые позволяют им избежать указанных неудобств..
Метаболизм С4
Обратите внимание, что между двумя карбоксилированием существует пространственное разделение. C растения4 Они отличаются тем, что имеют анатомию «кранц» или корону, образованную мезофильными клетками и являются фотосинтезирующими, в отличие от этих клеток при нормальном фотосинтезе или С3.
В этих клетках первое карбоксилирование происходит с помощью PEPC, давая в качестве продукта оксалоацетат, который восстанавливается до малата. Это распространяется на клетку стручка, где происходит процесс декарбоксилирования с образованием СО2. Двуокись углерода используется во втором карбоксилировании, направленном Рубиско.
Фотосинтез САМ
Усвоение углекислого газа у растений CAM происходит в ночные часы, так как потеря воды при открытии устьиц будет меньше, чем в дневное время..
КО2 это объединено с PEP, реакцией, катализируемой PEPC, формируя яблочную кислоту. Этот продукт хранится в вакуолях, которые высвобождают свое содержимое в утренние часы, затем декарбоксилируется и СО2 удается присоединиться к циклу Calvin.
Факторы, участвующие в фотосинтезе
Среди факторов окружающей среды, участвующих в эффективности фотосинтеза, выделяют: количество присутствующего СО2 и света, температуры, накопления фотосинтетических продуктов, количества кислорода и доступности воды.
Растительные факторы также играют фундаментальную роль, такие как возраст и статус роста.
Концентрация СО2 в окружающей среде он низкий (он не превышает 0,03% объема), поэтому любое минимальное изменение имеет замечательные последствия для фотосинтеза. Кроме того, растения способны только на 70 или 80% присутствующего углекислого газа.
Если нет никаких ограничений от других упомянутых переменных, мы обнаружим, что фотосинтез будет зависеть от количества СО2 доступный.
Точно так же интенсивность света имеет решающее значение. В средах с низкой интенсивностью процесс дыхания будет превосходить фотосинтез. По этой причине фотосинтез гораздо более активен в часы, когда интенсивность солнечного света высока, например, в первые часы утра..
Некоторые растения могут быть затронуты больше, чем другие. Например, кормовые травы не очень чувствительны к температурному фактору.
функции
Фотосинтез является жизненно важным процессом для всех организмов на планете Земля. Этот путь отвечает за поддержку всех форм жизни, являясь источником кислорода и основой всех существующих трофических цепей, так как он способствует преобразованию солнечной энергии в химическую энергию.
Обратите внимание, что аэробные организмы способны извлекать энергию из органических соединений, образующихся при фотосинтезе, только в присутствии кислорода, который также является продуктом процесса..
Фактически, фотосинтез способен превращать усугубленное количество (200 миллиардов тонн) углекислого газа в органические соединения. Что касается кислорода, по оценкам, производство находится в диапазоне 140 миллиардов тонн.
Кроме того, фотосинтез дает нам большую часть энергии (примерно 87% от этого), которую человечество использует для выживания, в виде ископаемого фотосинтетического топлива..
эволюция
Первые фотосинтетические формы жизни
В свете эволюции, фотосинтез, кажется, очень старый процесс. Существует множество доказательств того, что происхождение этой дороги близко к появлению первых форм жизни..
Что касается происхождения у эукариот, существует огромное количество доказательств того, что эндосимбиоз предлагается в качестве более правдоподобного объяснения этого процесса..
Таким образом, организмы, которые напоминают цианобактерии, могут стать хлоропластами благодаря эндосимбиотическим отношениям с более крупными прокариотами. Поэтому эволюционное происхождение фотосинтеза зарождается в бактериальном домене и может распространяться благодаря массовым и повторяющимся событиям горизонтального переноса генов..
Роль кислорода в эволюции
Нет сомнений в том, что энергетическое преобразование света посредством фотосинтеза сформировало современное окружение планеты Земля. Фотосинтез, рассматриваемый как инновация, обогатил кислородную атмосферу и произвел революцию в энергетике жизненных форм..
Когда начался выпуск O2 первыми фотосинтезирующими организмами, он, вероятно, растворялся в воде океанов, пока не насытился. Кроме того, кислород может реагировать с железом, выпадая в осадок в виде оксида железа, который в настоящее время является бесценным источником минералов..
Избыток кислорода поступал в атмосферу, чтобы наконец там сконцентрироваться. Это массивное увеличение концентрации O2 Это имеет важные последствия: повреждение биологических структур и ферментов, осуждение многих групп прокариот.
Напротив, другие группы представили приспособления для жизни в новой богатой кислородом среде, сформированной фотосинтезирующими организмами, возможно, древними цианобактериями..
Что такое фотосинтез? Применение фотосинтеза
Фотосинтез — это процесс, применяемый растениями, водорослями и некоторыми бактериями для использования энергии солнечного света и превращения ее в химическую энергию. В этой статье описываются общие принципы фотосинтеза и применение фотосинтеза для разработки чистых видов топлива и источников возобновляемой энергии.
Типы фотосинтеза
Существует два типа процессов фотосинтеза: оксигенный фотосинтез и аноксигенный фотосинтез. Общие принципы аноксигенного и оксигенного фотосинтеза очень схожи, но наиболее распространенным является оксигенный фотосинтез, который наблюдается у растений, водорослей и цианобактерий.
Во время оксигенного фотосинтеза световая энергия способствует переходу электронов из воды (H2O) в углекислый газ (CO2). В результате реакции образуется кислород и углеводороды.
Оксигенный фотосинтез можно назвать процессом противоположным дыханию в котором происходит поглощение углекислого газа, производимого всеми дышащими организмами, и выделение кислорода в атмосферу.
С другой стороны, в аноксигенном фотосинтезе в качестве донора электронов используется не вода. Этот процесс обычно наблюдается у таких бактерий как фиолетовые бактерии и зеленые серные бактерии, которые в основном встречаются в различных водных средах.
При аноксигенном фотосинтезе кислород не продуцируется, отсюда и название. Результат реакции зависит от донора электронов. Например, многие бактерии используют в качестве донора сероводород и в результате такого фотосинтеза образуется твердая сера.
Хотя оба типа фотосинтеза являются сложными и многоступенчатыми процессами их можно приблизительно представить в виде приведенных ниже химических уравнений.
Оксигенный фотосинтез записывается следующим образом:
Здесь шесть молекул углекислого газа (СО2) объединяются с 12 молекулами воды (Н2О) с использованием световой энергии. В результате реакции образуется одна молекула углевода (C6H12O6 или глюкозы) и шесть молекул кислорода и шесть молекул воды.
Аналогично различные реакции аноксигенного фотосинтеза могут быть представлены в виде одной обобщенной формулы:
CO2 + 2H2A + Световая энергия → [CH2O] + 2A + H2O
Буква A в уравнении является переменной, а H2A представляет потенциальный донор электронов. Например, А может быть серой в сероводороде (H2S).
Фотосинтетический аппарат
Ниже приведены клеточные компоненты, необходимые для фотосинтеза.
Пигменты
Пигменты — это молекулы, которые придают цвет растениям, водорослям и бактериям, но они также ответственны за эффективное улавливание солнечного света. Пигменты разных цветов поглощают разные длины волн света. Ниже представлены три основные группы.
Пластид
Фотосинтетические эукариотические организмы содержат в цитоплазме органеллы, называемые пластидами. Пластиды с двумя мембранами в растениях и водорослях рассматриваются как первичные пластиды, а пластиды с множественными мембранами, найденные в планктоне, называются вторичными пластидами, согласно статье в журнале Nature Education авторов Чонг Синь Чан и Дебашиш Бхаттачарья, исследователи из Университета Рутгерса в Нью-Джерси.
Пластиды обычно содержат пигменты или могут хранить питательные вещества. Бесцветные и непигментированные лейкопласты хранят жиры и крахмал, в то время как хромопласты содержат каротиноиды, а хлоропласты содержат хлорофилл.
Фотосинтез происходит в хлоропластах; в частности, в областях граны и стромы. Грана — это уложенные стопками плоские пузырьки или мембраны, которые называются тилакоидами. В гранах находятся все фотосинтетические структуры. Именно здесь происходит перенос электронов. Пустые пространства между столбцами граны составляют строму.
Хлоропласты подобны митохондриям, энергетическим центрам клеток, поскольку они имеют собственный геном или коллекцию генов, содержащихся в циклической ДНК. Эти гены кодируют белки, необходимые для органеллы и фотосинтеза. Считается, что как и митохондрии, хлоропласты произошли из примитивных бактериальных клеток в процессе эндосимбиоза.
Антенны
Молекулы пигмента связываются белками, которые позволяют им двигаться в направлении света и друг к другу. Согласно публикации Вима Вермааса, профессора Аризонского государственного университета, набор из 100-5000 молекул пигмента представляет собой «антенны». Эти структуры захватывают световую энергию от солнца в виде фотонов.
В конечном счете световая энергия должна быть перенесена в пигмент-белковый комплекс, который может преобразовывать его в химическую энергию в виде электронов. В растениях, например, световая энергия переносится на хлорофилловые пигменты. Переход на химическую энергию осуществляется, когда пигмент хлорофилла вытесняет электрон, который затем может перейти к соответствующему реципиенту.
Реакционные центры
Пигменты и белки, которые преобразуют световую энергию в химическую энергию и начинают процесс переноса электрона, известны как реакционные центры.
Процесс фотосинтеза
Реакции фотосинтеза растений делятся на требующие наличия солнечного света, и не требующие его. Оба типа реакций протекают в хлоропластах: светозависимые реакции в тилакоидах и светонезависимые реакциях в строме.
Светозависимые реакции (световые реакции), когда фотон света попадает в реакционный центр и молекула пигмента, такая как хлорофилл, высвобождает электрон. При этом электрон не должен возвратиться в свое первоначальное положение, а этого непросто избежать, поскольку теперь хлорофилл имеет «электронную дырку», которая притягивает близлежащие электроны.
Освобожденному электрону удается «уйти», за счет перемещения по электронной транспортной цепи, которая генерирует энергию, необходимую для получения АТФ (аденозинтрифосфата, источника химической энергии для клеток) и НАДФ. «Электронная дырка» в исходном пигменте хлорофилла заполняется электронами из воды. В результате этого в атмосферу выделяется кислород.
Темновые реакции (которые не зависят от наличия света и известные также как цикл Кальвина). В процессе темновых реакций производятся АТФ и НАДФ, которые являются источниками энергии. Цикл Кальвина составляют три этапа химической реакции: фиксация углерода, восстановление и регенерация. В этих реакциях используется вода и катализаторы. Атомы углерода из двуокиси углерода «фиксируются», когда они встраиваются в органические молекулы, которые в конечном счете образуют трехуглеродистые углеводы (легкие сахара). Затем эти сахара используются для производства глюкозы или рециркулируют, чтобы снова инициировать цикл Кальвина.
Фотосинтез в будущем. Применение фотосинтеза
Ученые также добились успехов в области искусственного фотосинтеза. Например, группа исследователей из Калифорнийского университета в Беркли разработала искусственную систему для улавливания углекислого газа с использованием полупроводниковых нанопроволок и бактерий. Сочетание набора биосовместимых светопоглощающих нанопроволок с определенной популяцией бактерий за счет используя энергию солнечного света преобразует углекислый газ в топливо или полимеры. Команда ученых опубликовала свой проект в 2015 году в журнале Nano Letters.
В 2016 году ученые из этой же группы опубликовали исследование в журнале Science, в котором описали еще одну систему искусственного фотосинтеза, в которой специально созданные бактерии применялись для производства жидкого топлива с использованием солнечного света, воды и двуокиси углерода. В целом, растения могут использовать только 1 % солнечной энергии и применять его во время фотосинтеза для получения органических соединений. Напротив, система искусственного фотосинтеза смогла использовать 10 % солнечной энергии для производства органических соединений.
Исследование природных процессов, таких как фотосинтез, помогает ученым в разработке новых способов использования различных источников возобновляемой энергии. Солнечный свет повсеместно используется растениями и бактерии в фотосинтезе поэтому искусственный фотосинтез является логичным шагом для создания экологически чистого топлива.