Conversão de energia em cloroplastos. Estados energéticos da molécula de clorofila Conversão de energia em centros de reação fotossintética

- síntese de substâncias orgânicas a partir de dióxido de carbono e água com utilização obrigatória de energia luminosa:

6CO 2 + 6H 2 O + Q luz → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

Nas plantas superiores, o órgão da fotossíntese é a folha, e as organelas da fotossíntese são os cloroplastos (estrutura dos cloroplastos - aula nº 7). As membranas dos tilacóides do cloroplasto contêm pigmentos fotossintéticos: clorofilas e carotenóides. Existem vários tipos diferentes de clorofila ( a, b, c, d), o principal é a clorofila a. Na molécula de clorofila, pode-se distinguir uma “cabeça” de porfirina com um átomo de magnésio no centro e uma “cauda” de fitol. A “cabeça” da porfirina é uma estrutura plana, é hidrofílica e, portanto, fica na superfície da membrana voltada para o ambiente aquoso do estroma. A “cauda” do fitol é hidrofóbica e por isso retém a molécula de clorofila na membrana.

As clorofilas absorvem a luz vermelha e azul-violeta, refletem a luz verde e, portanto, dão às plantas a sua cor verde característica. As moléculas de clorofila nas membranas dos tilacóides são organizadas em fotossistemas. As plantas e as algas verde-azuladas possuem fotossistema-1 e fotossistema-2, enquanto as bactérias fotossintéticas possuem fotossistema-1. Somente o fotossistema-2 pode decompor a água para liberar oxigênio e retirar elétrons do hidrogênio da água.

A fotossíntese é um processo complexo de várias etapas; as reações da fotossíntese são divididas em dois grupos: reações fase clara e reações fase escura.

Fase leve

Essa fase ocorre apenas na presença de luz nas membranas dos tilacóides com a participação da clorofila, proteínas transportadoras de elétrons e da enzima ATP sintetase. Sob a influência de um quantum de luz, os elétrons da clorofila são excitados, deixam a molécula e entram no lado externo da membrana do tilacóide, que acaba ficando com carga negativa. As moléculas de clorofila oxidadas são reduzidas, retirando elétrons da água localizada no espaço intratilacoide. Isto leva à decomposição ou fotólise da água:

H 2 O + Q luz → H + + OH - .

Os íons hidroxila doam seus elétrons, tornando-se radicais reativos.OH:

OH - → .OH + e - .

Os radicais OH combinam-se para formar água e oxigênio livre:

4 NÃO. → 2H 2 O + O 2.

Nesse caso, o oxigênio é removido para o ambiente externo e os prótons se acumulam dentro do tilacóide no “reservatório de prótons”. Como resultado, a membrana tilacóide, por um lado, é carregada positivamente devido ao H + e, por outro lado, devido aos elétrons, é carregada negativamente. Quando a diferença de potencial entre os lados externo e interno da membrana tilacóide atinge 200 mV, os prótons são empurrados através dos canais de ATP sintetase e o ADP é fosforilado em ATP; O hidrogênio atômico é usado para restaurar o transportador específico NADP + (nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato) em NADPH 2:

2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.

Assim, na fase leve ocorre a fotólise da água, que é acompanhada por três processos importantes: 1) síntese de ATP; 2) a formação do NADPH 2; 3) a formação de oxigênio. O oxigênio se difunde na atmosfera, ATP e NADPH 2 são transportados para o estroma do cloroplasto e participam dos processos da fase escura.

1 - estroma do cloroplasto; 2 - grana tilacóide.

Fase escura

Esta fase ocorre no estroma do cloroplasto. Suas reações não requerem energia luminosa, portanto ocorrem não só na luz, mas também no escuro. As reações de fase escura são uma cadeia de transformações sucessivas do dióxido de carbono (vindo do ar), levando à formação de glicose e outras substâncias orgânicas.

A primeira reação desta cadeia é a fixação do dióxido de carbono; O aceitador de dióxido de carbono é um açúcar de cinco carbonos. ribulose bifosfato(RiBF); enzima catalisa a reação Ribulose bifosfato carboxilase(RiBP carboxilase). Como resultado da carboxilação da ribulose bifosfato, forma-se um composto instável de seis carbonos, que se decompõe imediatamente em duas moléculas ácido fosfoglicérico(FGK). Ocorre então um ciclo de reações em que o ácido fosfoglicérico é convertido em glicose através de uma série de intermediários. Essas reações utilizam a energia do ATP e do NADPH 2 formados na fase leve; O ciclo dessas reações é chamado de “ciclo de Calvin”:

6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.

Além da glicose, outros monômeros de compostos orgânicos complexos são formados durante a fotossíntese - aminoácidos, glicerol e ácidos graxos, nucleotídeos. Atualmente, existem dois tipos de fotossíntese: fotossíntese C 3 - e C 4.

C 3-fotossíntese

Este é um tipo de fotossíntese em que o primeiro produto são compostos de três carbonos (C3). A fotossíntese C 3 foi descoberta antes da fotossíntese C 4 (M. Calvin). É a fotossíntese C 3 descrita acima, sob o título “Fase escura”. Características da fotossíntese C 3: 1) o aceitador de dióxido de carbono é RiBP, 2) a reação de carboxilação de RiBP é catalisada pela carboxilase RiBP, 3) como resultado da carboxilação de RiBP, um composto de seis carbonos é formado, que se decompõe em dois PGAs. FGK é restaurado para fosfatos triose(TF). Parte do TF é usada para a regeneração do RiBP e parte é convertida em glicose.

1 - cloroplasto; 2 - peroxissomo; 3 - mitocôndrias.

Esta é uma absorção de oxigênio dependente da luz e liberação de dióxido de carbono. No início do século passado, foi estabelecido que o oxigênio suprime a fotossíntese. Acontece que para a RiBP carboxilase o substrato pode ser não apenas dióxido de carbono, mas também oxigênio:

O 2 + RiBP → fosfoglicolato (2C) + PGA (3C).

A enzima é chamada RiBP oxigenase. O oxigênio é um inibidor competitivo da fixação de dióxido de carbono. O grupo fosfato é separado e o fosfoglicolato torna-se glicolato, que a planta deve utilizar. Entra nos peroxissomos, onde é oxidado em glicina. A glicina entra nas mitocôndrias, onde é oxidada a serina, com perda do carbono já fixado na forma de CO 2. Como resultado, duas moléculas de glicolato (2C + 2C) são convertidas em um PGA (3C) e CO 2. A fotorrespiração leva a uma diminuição no rendimento das plantas C3 em 30-40% ( Com 3 plantas- plantas caracterizadas pela fotossíntese C 3).

A fotossíntese C 4 é a fotossíntese em que o primeiro produto são compostos de quatro carbonos (C 4). Em 1965, descobriu-se que em algumas plantas (cana-de-açúcar, milho, sorgo, milheto) os primeiros produtos da fotossíntese são ácidos de quatro carbonos. Essas plantas foram chamadas Com 4 plantas. Em 1966, os cientistas australianos Hatch e Slack mostraram que as plantas C4 praticamente não têm fotorrespiração e absorvem dióxido de carbono com muito mais eficiência. A via de transformação do carbono nas plantas C 4 passou a ser chamada por Hatch-Slack.

As plantas C 4 são caracterizadas por uma estrutura anatômica especial da folha. Todos os feixes vasculares são circundados por uma dupla camada de células: a camada externa são as células do mesofilo, a camada interna são as células da bainha. O dióxido de carbono é fixado no citoplasma das células do mesófilo, o aceptor é fosfoenolpiruvato(PEP, 3C), como resultado da carboxilação do PEP, forma-se oxaloacetato (4C). O processo é catalisado PEP carboxilase. Ao contrário da RiBP carboxilase, a PEP carboxilase tem maior afinidade pelo CO 2 e, mais importante, não interage com o O 2 . Os cloroplastos mesofílicos têm muitos grãos onde ocorrem ativamente as reações da fase leve. As reações de fase escura ocorrem nos cloroplastos das células da bainha.

O oxaloacetato (4C) é convertido em malato, que é transportado através dos plasmodesmos para as células da bainha. Aqui é descarboxilado e desidrogenado para formar piruvato, CO 2 e NADPH 2 .

O piruvato retorna às células do mesofilo e é regenerado usando a energia do ATP no PEP. O CO 2 é novamente fixado pela RiBP carboxilase para formar PGA. A regeneração do PEP requer energia ATP, por isso requer quase o dobro de energia que a fotossíntese C 3.

O significado da fotossíntese

Graças à fotossíntese, milhares de milhões de toneladas de dióxido de carbono são absorvidos da atmosfera todos os anos e milhares de milhões de toneladas de oxigénio são libertados; a fotossíntese é a principal fonte de formação de substâncias orgânicas. O oxigênio forma a camada de ozônio, que protege os organismos vivos da radiação ultravioleta de ondas curtas.

Durante a fotossíntese, uma folha verde utiliza apenas cerca de 1% da energia solar que incide sobre ela, a produtividade é de cerca de 1 g de matéria orgânica por 1 m2 de superfície por hora.

Quimiossíntese

A síntese de compostos orgânicos a partir do dióxido de carbono e da água, realizada não pela energia da luz, mas pela energia de oxidação das substâncias inorgânicas, é chamada quimiossíntese. Organismos quimiossintéticos incluem alguns tipos de bactérias.

Bactérias nitrificantes a amônia é oxidada em nitroso e depois em ácido nítrico (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Bactérias de ferro converter ferro ferroso em óxido de ferro (Fe 2+ → Fe 3+).

Bactérias sulfurosas oxidar o sulfeto de hidrogênio em enxofre ou ácido sulfúrico (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

Como resultado das reações de oxidação de substâncias inorgânicas, é liberada energia, que é armazenada pelas bactérias na forma de ligações ATP de alta energia. O ATP é utilizado para a síntese de substâncias orgânicas, que ocorre de forma semelhante às reações da fase escura da fotossíntese.

As bactérias quimiossintéticas contribuem para o acúmulo de minerais no solo, melhoram a fertilidade do solo, promovem o tratamento de águas residuais, etc.

Vá para palestras nº 11“O conceito de metabolismo. Biossíntese de proteínas"

Vá para palestras nº 13“Métodos de divisão de células eucarióticas: mitose, meiose, amitose”

Como a energia da luz solar é convertida nas fases clara e escura da fotossíntese na energia das ligações químicas da glicose? Explique sua resposta.

Responder

Na fase leve da fotossíntese, a energia da luz solar é convertida na energia dos elétrons excitados e, então, a energia dos elétrons excitados é convertida na energia do ATP e NADP-H2. Na fase escura da fotossíntese, a energia do ATP e do NADP-H2 é convertida na energia das ligações químicas da glicose.

O que acontece durante a fase leve da fotossíntese?

Responder

Os elétrons da clorofila, excitados pela energia luminosa, viajam ao longo das cadeias de transporte de elétrons, sua energia é armazenada em ATP e NADP-H2. Ocorre fotólise da água e liberação de oxigênio.

Quais são os principais processos que ocorrem durante a fase escura da fotossíntese?

Responder

A partir do dióxido de carbono obtido da atmosfera e do hidrogênio obtido na fase leve, forma-se a glicose devido à energia do ATP obtida na fase leve.

Qual é a função da clorofila em uma célula vegetal?

Responder

A clorofila está envolvida no processo de fotossíntese: na fase leve, a clorofila absorve luz, o elétron da clorofila recebe energia luminosa, se separa e segue ao longo da cadeia de transporte de elétrons.

Qual o papel dos elétrons das moléculas de clorofila na fotossíntese?

Responder

Os elétrons da clorofila, excitados pela luz solar, passam pelas cadeias de transporte de elétrons e cedem sua energia para a formação de ATP e NADP-H2.

Em que estágio da fotossíntese é formado o oxigênio livre?

Responder

Na fase clara, durante a fotólise da água.

Durante qual fase da fotossíntese ocorre a síntese de ATP?

Responder

Fase pré-luz.

Que substância serve como fonte de oxigênio durante a fotossíntese?

Responder

Água (o oxigênio é liberado durante a fotólise da água).

A taxa de fotossíntese depende de fatores limitantes, incluindo luz, concentração de dióxido de carbono e temperatura. Por que esses fatores são limitantes para as reações de fotossíntese?

Responder

A luz é necessária para excitar a clorofila, pois fornece energia para o processo de fotossíntese. O dióxido de carbono é necessário na fase escura da fotossíntese; a glicose é sintetizada a partir dele. As mudanças de temperatura levam à desnaturação das enzimas e as reações fotossintéticas ficam mais lentas.

Em quais reações metabólicas nas plantas o dióxido de carbono é a matéria-prima para a síntese de carboidratos?

Responder

Nas reações de fotossíntese.

O processo de fotossíntese ocorre intensamente nas folhas das plantas. Ocorre em frutas maduras e verdes? Explique sua resposta.

Responder

A fotossíntese ocorre nas partes verdes das plantas sob luz. Assim, a fotossíntese ocorre na casca dos frutos verdes. A fotossíntese não ocorre dentro da fruta ou na casca dos frutos maduros (não verdes).

Ao estudar um processo como fotossíntese que é ativado pela luz, é importante determinar os espectros de ação desse processo para identificar os pigmentos envolvidos. O espectro de ação é um gráfico que mostra a dependência da eficiência do processo em estudo com a exposição à luz de diferentes comprimentos de onda.

Espectro de absorçãoé um gráfico da quantidade relativa de luz absorvida por um pigmento em função de diferentes comprimentos de onda. A imagem mostra espectro de ação fotossintética E espectro de absorção para pigmentos fotossintéticos combinados.

Preste atenção na grande semelhança dos gráficos apresentados, o que significa que para a absorção de luz em fotossíntese os pigmentos são os responsáveis, principalmente a clorofila.

Excitação da clorofila pela luz

Quando uma molécula de clorofila ou outro pigmento fotossintético absorve luz, diz-se que entrou num estado excitado. A energia luminosa é usada para mover os elétrons para um nível de energia mais alto. A energia luminosa é capturada pela clorofila e convertida em energia química. O estado excitado da clorofila é instável e suas moléculas tendem a retornar ao seu estado normal (estável). Por exemplo, se passarmos luz através de uma solução de clorofila e depois observá-la no escuro, veremos que a solução apresenta fluorescência. Isso ocorre porque o excesso de energia de excitação é convertido em luz de maior comprimento de onda (e menor energia), com o restante da energia sendo perdido na forma de calor.

Elétrons excitados retornar ao seu estado normal de baixa energia. Numa planta viva, a energia libertada pode ser transferida para outra molécula de clorofila (ver abaixo). Neste caso, o elétron excitado pode passar da molécula de clorofila para outra molécula chamada aceptor de elétrons. Como o elétron tem carga negativa, depois de “sair” um “buraco” com carga positiva permanece na molécula de clorofila.

O processo de liberação de elétrons é chamado oxidação, e o processo de sua aquisição é a restauração. Consequentemente, a clorofila é oxidada e o aceitador de elétrons é reduzido. A clorofila substitui os elétrons perdidos por elétrons de baixa energia de outras moléculas chamadas doadores de elétrons.

As primeiras etapas do processo de fotossíntese envolvem o movimento de energia e elétrons excitados entre moléculas dentro dos fotossistemas descritos abaixo.