Photosynthese ist die Synthese organischer Verbindungen in den Blättern grüner Pflanzen aus Wasser und atmosphärischem Kohlendioxid unter Verwendung von Sonnenenergie (Licht), die von Chlorophyll in Chloroplasten adsorbiert wird.
Dank der Photosynthese wird sichtbare Lichtenergie eingefangen und in chemische Energie umgewandelt, die in organischen Substanzen, die bei der Photosynthese entstehen, gespeichert (gespeichert) wird.
Als Datum der Entdeckung des Prozesses der Photosynthese kann das Jahr 1771 angesehen werden. Der englische Wissenschaftler J. Priestley machte auf Veränderungen in der Luftzusammensetzung aufgrund der lebenswichtigen Aktivität von Tieren aufmerksam. In Anwesenheit grüner Pflanzen wurde die Luft wieder sowohl zum Atmen als auch zur Verbrennung geeignet. Anschließend wurde durch die Arbeit einer Reihe von Wissenschaftlern (Y. Ingenhaus, J. Senebier, T. Saussure, J.B. Boussingault) festgestellt, dass grüne Pflanzen CO 2 aus der Luft absorbieren, aus dem unter Beteiligung von Wasser im Licht organisches Material entsteht . Es war dieser Prozess, den der deutsche Wissenschaftler W. Pfeffer 1877 Photosynthese nannte. Das von R. Mayer formulierte Energieerhaltungsgesetz war für die Aufklärung des Wesens der Photosynthese von großer Bedeutung. Im Jahr 1845 schlug R. Mayer vor, dass die von Pflanzen genutzte Energie die Energie der Sonne sei, die Pflanzen durch den Prozess der Photosynthese in chemische Energie umwandeln. Diese Position wurde in der Forschung des bemerkenswerten russischen Wissenschaftlers K.A. entwickelt und experimentell bestätigt. Timiryazev.
Die Hauptaufgabe photosynthetischer Organismen:
1) Umwandlung der Energie des Sonnenlichts in die Energie chemischer Bindungen organischer Verbindungen;
2) Sättigung der Atmosphäre mit Sauerstoff;
Durch die Photosynthese werden auf der Erde jährlich 150 Milliarden Tonnen organisches Material gebildet und etwa 200 Milliarden Tonnen freier Sauerstoff freigesetzt. Es verhindert einen Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre und verhindert so eine Überhitzung der Erde (Treibhauseffekt).
Die durch Photosynthese entstehende Atmosphäre schützt Lebewesen vor schädlicher kurzwelliger UV-Strahlung (dem Sauerstoff-Ozon-Schutzschild der Atmosphäre).
Nur 1-2 % der Sonnenenergie gehen in die Ernte landwirtschaftlicher Pflanzen über, Verluste sind auf unvollständige Lichtabsorption zurückzuführen. Daher besteht eine große Aussicht auf eine Steigerung der Produktivität durch die Auswahl von Sorten mit hoher Photosyntheseeffizienz und die Schaffung einer Pflanzenstruktur, die die Lichtabsorption begünstigt. In diesem Zusammenhang kommt der Entwicklung theoretischer Grundlagen zur Steuerung der Photosynthese eine besondere Bedeutung zu.
Die Bedeutung der Photosynthese ist enorm. Beachten wir nur, dass es den für die Existenz aller Lebewesen notwendigen Brennstoff (Energie) und Luftsauerstoff liefert. Daher ist die Rolle der Photosynthese planetarisch.
Die Planetarität der Photosynthese wird auch dadurch bestimmt, dass dank des Kreislaufs von Sauerstoff und Kohlenstoff (hauptsächlich) die aktuelle Zusammensetzung der Atmosphäre erhalten bleibt, die wiederum die weitere Aufrechterhaltung des Lebens auf der Erde bestimmt. Wir können weiter sagen, dass die Energie, die in den Produkten der Photosynthese gespeichert ist, im Wesentlichen die Hauptenergiequelle ist, über die die Menschheit heute verfügt.
Gesamtreaktion der Photosynthese
CO 2 +H 2 O = (CH 2 O) + O 2 .
Die Chemie der Photosynthese wird durch die folgenden Gleichungen beschrieben:
Photosynthese – 2 Gruppen von Reaktionen:
Lichtbühne (kommt drauf an Erleuchtung)
dunkle Bühne (abhängig von der Temperatur).
Beide Reaktionsgruppen laufen gleichzeitig ab
Die Photosynthese findet in den Chloroplasten grüner Pflanzen statt.
Die Photosynthese beginnt mit der Aufnahme und Absorption von Licht durch das Pigment Chlorophyll, das in den Chloroplasten grüner Pflanzenzellen vorkommt.
Es stellt sich heraus, dass dies ausreicht, um das Absorptionsspektrum des Moleküls zu verschieben. 
Das Chlorophyllmolekül absorbiert Photonen im violetten und blauen und dann im roten Teil des Spektrums und interagiert nicht mit Photonen im grünen und gelben Teil des Spektrums.
Deshalb sehen Chlorophyll und Pflanzen grün aus – sie können die grünen Strahlen einfach nicht ausnutzen und sie durch die Welt wandern lassen (und sie dadurch grüner machen).
Photosynthetische Pigmente befinden sich auf der Innenseite der Thylakoidmembran.
Pigmente sind organisiert in Fotosysteme(Antennenfelder zum Einfangen von Licht) – enthalten 250–400 Moleküle verschiedener Pigmente.
Das Fotosystem besteht aus:
Reaktionszentrum Photosysteme (Chlorophyllmolekül A),
Antennenmoleküle
Alle Pigmente im Photosystem sind in der Lage, Energie im angeregten Zustand aufeinander zu übertragen. Die von dem einen oder anderen Pigmentmolekül absorbierte Photonenenergie wird auf ein benachbartes Molekül übertragen, bis es das Reaktionszentrum erreicht. Wenn das Resonanzsystem des Reaktionszentrums in einen angeregten Zustand übergeht, überträgt es zwei angeregte Elektronen auf das Akzeptormolekül, wird dadurch oxidiert und erhält eine positive Ladung.
In Pflanzen:
Fotosystem 1(maximale Lichtabsorption bei einer Wellenlänge von 700 nm – P700)
Fotosystem 2(maximale Lichtabsorption bei einer Wellenlänge von 680 nm – P680
Unterschiede in den Absorptionsoptima sind auf geringfügige Unterschiede in der Pigmentstruktur zurückzuführen.
Die beiden Systeme arbeiten im Tandem, ähnlich einem sogenannten zweiteiligen Förderer nichtzyklische Photophosphorylierung .
Zusammenfassende Gleichung für nichtzyklische Photophosphorylierung:
Ф – Symbol für Phosphorsäurereste
Der Zyklus beginnt mit Photosystem 2.
1) Antennenmoleküle fangen das Photon ein und übertragen die Anregung an das aktive Zentrumsmolekül P680;
2) das angeregte P680-Molekül spendet zwei Elektronen an den Cofaktor Q, während es oxidiert wird und eine positive Ladung annimmt;
Cofaktor(Cofaktor). Ein Coenzym oder eine andere Substanz, die ein Enzym benötigt, um seine Funktion zu erfüllen
Coenzyme (Coenzyme)[von lat. co (cum) - zusammen und Enzyme], organische Verbindungen nicht-proteinischer Natur, die an der enzymatischen Reaktion als Akzeptoren einzelner Atome oder Atomgruppen teilnehmen, die durch das Enzym vom Substratmolekül abgespalten werden, d.h. um die katalytische Wirkung von Enzymen auszuführen. Diese Stoffe haben im Gegensatz zur Proteinkomponente des Enzyms (Apoenzym) ein relativ geringes Molekulargewicht und sind in der Regel thermostabil. Manchmal sind unter Coenzymen alle niedermolekularen Substanzen zu verstehen, deren Beteiligung für die katalytische Wirkung des Enzyms notwendig ist, darunter beispielsweise auch Ionen. K + , Mg 2+ und Mn 2+ . Enzyme sind lokalisiert. im aktiven Zentrum des Enzyms und bilden zusammen mit dem Substrat und den funktionellen Gruppen des aktiven Zentrums einen aktivierten Komplex.
Die meisten Enzyme benötigen die Anwesenheit eines Coenzyms, um katalytische Aktivität zu zeigen. Eine Ausnahme bilden hydrolytische Enzyme (z. B. Proteasen, Lipasen, Ribonuklease), die ihre Funktion in Abwesenheit eines Coenzyms erfüllen.
Das Molekül wird durch P680 reduziert (unter Einwirkung von Enzymen). In diesem Fall zerfällt Wasser in Protonen und molekularer Sauerstoff, diese. Wasser ist ein Elektronendonor, der für den Nachschub an Elektronen in P 680 sorgt.
PHOTOLYSE WASSER- Spaltung eines Wassermoleküls, insbesondere bei der Photosynthese. Durch die Photolyse von Wasser entsteht Sauerstoff, der von grünen Pflanzen im Licht freigesetzt wird.
Nicht-Chlorophyll-Photosynthese
Räumliche Lokalisierung
Die Photosynthese von Pflanzen findet in Chloroplasten statt: separaten Zellorganellen mit Doppelmembran. Chloroplasten kommen in den Zellen von Früchten und Stängeln vor, aber das Hauptorgan der Photosynthese, das anatomisch an seine Funktion angepasst ist, ist das Blatt. Im Blatt ist das Palisadenparenchymgewebe am reichsten an Chloroplasten. Bei einigen Sukkulenten mit degenerierten Blättern (z. B. Kakteen) ist die photosynthetische Aktivität hauptsächlich mit dem Stamm verbunden.
Aufgrund der flachen Blattform, die ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bietet, wird das Licht für die Photosynthese besser erfasst. Wasser wird von der Wurzel durch ein entwickeltes Netzwerk von Gefäßen (Blattadern) abgegeben. Kohlendioxid dringt teilweise durch Diffusion durch die Kutikula und Epidermis ein, der größte Teil diffundiert jedoch durch die Spaltöffnungen und durch das Blatt hindurch durch den Interzellularraum in das Blatt. Pflanzen, die CAM-Photosynthese betreiben, haben spezielle Mechanismen zur aktiven Aufnahme von Kohlendioxid entwickelt.
Der Innenraum des Chloroplasten ist mit farblosem Inhalt (Stroma) gefüllt und wird von Membranen (Lamellen) durchdrungen, die miteinander verbunden Thylakoide bilden, die wiederum zu Stapeln namens Grana gruppiert sind. Der Intrathylakoidraum ist getrennt und kommuniziert nicht mit dem Rest des Stromas; es wird auch angenommen, dass der innere Raum aller Thylakoide miteinander kommuniziert. Die Lichtphasen der Photosynthese sind auf Membranen beschränkt; die autotrophe Fixierung von CO 2 erfolgt im Stroma.
Chloroplasten haben ihre eigene DNA, RNA und Ribosomen (70er-Typ) und es findet eine Proteinsynthese statt (obwohl dieser Prozess vom Kern aus gesteuert wird). Sie werden nicht erneut synthetisiert, sondern durch Division der vorherigen gebildet. All dies ermöglichte es, sie als Nachkommen freier Cyanobakterien zu betrachten, die im Verlauf der Symbiogenese Teil der eukaryotischen Zelle wurden.
Fotosystem I
Der Lichtsammelkomplex I enthält etwa 200 Chlorophyllmoleküle.
Im Reaktionszentrum des ersten Photosystems befindet sich ein Dimer des Chlorophylls a mit einem Absorptionsmaximum bei 700 nm (P700). Nach der Anregung durch ein Lichtquant stellt es den primären Akzeptor – Chlorophyll a – wieder her, der den sekundären Akzeptor (Vitamin K 1 oder Phyllochinon) wiederherstellt. Anschließend wird das Elektron auf Ferredoxin übertragen, das NADP mithilfe des Enzyms Ferredoxin-NADP-Reduktase reduziert.
Das im b 6 f-Komplex reduzierte Plastocyanin-Protein wird von der Seite des Intrathylakoidraums zum Reaktionszentrum des ersten Photosystems transportiert und überträgt ein Elektron auf das oxidierte P700.
Zyklischer und pseudozyklischer Elektronentransport
Zusätzlich zum oben beschriebenen vollständigen nichtzyklischen Elektronenpfad wurde ein zyklischer und pseudozyklischer Pfad entdeckt.
Das Wesen des zyklischen Weges besteht darin, dass Ferredoxin anstelle von NADP Plastoquinon reduziert, das es zurück zum b 6 f-Komplex überträgt. Dies führt zu einem größeren Protonengradienten und mehr ATP, aber kein NADPH.
Im pseudozyklischen Weg reduziert Ferredoxin Sauerstoff, der weiter in Wasser umgewandelt wird und im Photosystem II verwendet werden kann. In diesem Fall wird auch NADPH nicht gebildet.
Dunkle Bühne
Im Dunkelstadium wird CO 2 unter Beteiligung von ATP und NADPH zu Glucose (C 6 H 12 O 6) reduziert. Obwohl Licht für diesen Prozess nicht erforderlich ist, ist es an seiner Regulierung beteiligt.
C 3 -Photosynthese, Calvin-Zyklus
Die dritte Stufe umfasst 5 PHA-Moleküle, die durch die Bildung von 4-, 5-, 6- und 7-Kohlenstoff-Verbindungen zu 3 5-Kohlenstoff-Ribulose-1,5-Biphosphat kombiniert werden, was 3ATP erfordert.
Schließlich sind für die Glukosesynthese zwei PHAs erforderlich. Um eines seiner Moleküle zu bilden, sind 6 Zyklusumdrehungen, 6 CO 2, 12 NADPH und 18 ATP erforderlich.
C 4 -Photosynthese
Hauptartikel: Hatch-Slack-Karpilov-Zyklus, C4-Photosynthese
Bei einer geringen Konzentration von im Stroma gelöstem CO 2 katalysiert Ribulosebiphosphatcarboxylase die Oxidationsreaktion von Ribulose-1,5-biphosphat und seinen Abbau in 3-Phosphoglycerinsäure und Phosphoglykolsäure, die zwangsweise im Prozess der Photorespiration verwendet werden .
Um die CO2-Konzentration zu erhöhen, veränderten Pflanzen des Typs 4 C ihre Blattanatomie. Der Calvin-Zyklus ist in den Hüllzellen des Leitbündels lokalisiert; in den Mesophyllzellen wird Phosphoenolpyruvat unter der Wirkung von PEP-Carboxylase zu Oxalessigsäure carboxyliert, die in Malat oder Aspartat umgewandelt und zu den Hüllzellen transportiert wird, wo es wird decarboxyliert, um Pyruvat zu bilden, das in die Mesophyllzellen zurückgeführt wird.
Mit 4 geht die Photosynthese praktisch nicht mit Verlusten an Ribulose-1,5-biphosphat aus dem Calvin-Zyklus einher und ist daher effizienter. Für die Synthese eines Glukosemoleküls sind jedoch nicht 18, sondern 30 ATP erforderlich. Begründet wird dies in den Tropen, wo das heiße Klima das Schließen der Stomata erfordert, was den Eintritt von CO 2 in das Blatt verhindert, sowie mit einer ruderalen Lebensstrategie.
Photosynthese selbst
Später wurde festgestellt, dass Pflanzen neben der Freisetzung von Sauerstoff auch Kohlendioxid absorbieren und unter Beteiligung von Wasser im Licht organische Stoffe synthetisieren. Basierend auf dem Energieerhaltungssatz postulierte Robert Mayer, dass Pflanzen die Energie des Sonnenlichts in die Energie chemischer Bindungen umwandeln. W. Pfeffer nannte diesen Vorgang Photosynthese.
Chlorophylle wurden erstmals von P. J. Peltier und J. Caventou isoliert. M. S. Tsvet gelang es, die Pigmente zu trennen und sie mithilfe der von ihm entwickelten Chromatographiemethode separat zu untersuchen. Die Absorptionsspektren von Chlorophyll wurden von K. A. Timiryazev untersucht, der bei der Entwicklung der Mayer-Prinzipien zeigte, dass es die absorbierten Strahlen sind, die es ermöglichen, die Energie des Systems zu erhöhen und hochenergetische C-C-Bindungen anstelle schwacher C-O- und O-H-Bindungen zu erzeugen ( Zuvor glaubte man, dass bei der Photosynthese gelbe Strahlen verwendet werden, die nicht von Blattpigmenten absorbiert werden. Dies gelang dank der von ihm entwickelten Methode zur Bilanzierung der Photosynthese auf Basis des absorbierten CO 2: Bei Experimenten zur Beleuchtung einer Pflanze mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge (verschiedener Farben) stellte sich heraus, dass die Intensität der Photosynthese mit dem Absorptionsspektrum von Chlorophyll übereinstimmt .
Die Redoxnatur der Photosynthese (sowohl sauerstoffhaltiger als auch anoxygener) wurde von Cornelis van Niel postuliert. Dies bedeutete, dass Sauerstoff bei der Photosynthese vollständig aus Wasser gebildet wird, was von A.P. Vinogradov in Experimenten mit einer Isotopenmarkierung experimentell bestätigt wurde. Robert Hill fand heraus, dass der Prozess der Wasseroxidation (und Sauerstofffreisetzung) und der CO 2 -Assimilation getrennt werden können. W. D. Arnon etablierte den Mechanismus der Lichtstufen der Photosynthese, und die Essenz des CO 2 -Assimilationsprozesses wurde Ende der 1940er Jahre von Melvin Calvin mithilfe von Kohlenstoffisotopen enthüllt, wofür er den Nobelpreis erhielt.
Andere Fakten
siehe auch
Literatur
- Hall D., Rao K. Photosynthese: Übers. aus dem Englischen - M.: Mir, 1983.
- Pflanzenphysiologie / Hrsg. Prof. Ermakova I. P. - M.: Akademie, 2007
- Molekularbiologie der Zellen / Albertis B., Bray D. et al. In 3 Bänden. - M.: Mir, 1994
- Rubin A. B. Biophysik. In 2 Bänden. - M.: Verlag. Moskauer Universität und Wissenschaft, 2004.
- Chernavskaya N. M.,
Nicht-Chlorophyll-Photosynthese
Räumliche Lokalisierung
Die Photosynthese von Pflanzen findet in Chloroplasten statt: separaten Zellorganellen mit Doppelmembran. Chloroplasten kommen in den Zellen von Früchten und Stängeln vor, aber das Hauptorgan der Photosynthese, das anatomisch an seine Funktion angepasst ist, ist das Blatt. Im Blatt ist das Palisadenparenchymgewebe am reichsten an Chloroplasten. Bei einigen Sukkulenten mit degenerierten Blättern (z. B. Kakteen) ist die photosynthetische Aktivität hauptsächlich mit dem Stamm verbunden.
Aufgrund der flachen Blattform, die ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bietet, wird das Licht für die Photosynthese besser erfasst. Wasser wird von der Wurzel durch ein entwickeltes Netzwerk von Gefäßen (Blattadern) abgegeben. Kohlendioxid dringt teilweise durch Diffusion durch die Kutikula und Epidermis ein, der größte Teil diffundiert jedoch durch die Spaltöffnungen und durch das Blatt hindurch durch den Interzellularraum in das Blatt. Pflanzen, die CAM-Photosynthese betreiben, haben spezielle Mechanismen zur aktiven Aufnahme von Kohlendioxid entwickelt.
Der Innenraum des Chloroplasten ist mit farblosem Inhalt (Stroma) gefüllt und wird von Membranen (Lamellen) durchdrungen, die miteinander verbunden Thylakoide bilden, die wiederum zu Stapeln namens Grana gruppiert sind. Der Intrathylakoidraum ist getrennt und kommuniziert nicht mit dem Rest des Stromas; es wird auch angenommen, dass der innere Raum aller Thylakoide miteinander kommuniziert. Die Lichtphasen der Photosynthese sind auf Membranen beschränkt; die autotrophe Fixierung von CO 2 erfolgt im Stroma.
Chloroplasten haben ihre eigene DNA, RNA und Ribosomen (70er-Typ) und es findet eine Proteinsynthese statt (obwohl dieser Prozess vom Kern aus gesteuert wird). Sie werden nicht erneut synthetisiert, sondern durch Division der vorherigen gebildet. All dies ermöglichte es, sie als Nachkommen freier Cyanobakterien zu betrachten, die im Verlauf der Symbiogenese Teil der eukaryotischen Zelle wurden.
Fotosystem I
Der Lichtsammelkomplex I enthält etwa 200 Chlorophyllmoleküle.
Im Reaktionszentrum des ersten Photosystems befindet sich ein Dimer des Chlorophylls a mit einem Absorptionsmaximum bei 700 nm (P700). Nach der Anregung durch ein Lichtquant stellt es den primären Akzeptor – Chlorophyll a – wieder her, der den sekundären Akzeptor (Vitamin K 1 oder Phyllochinon) wiederherstellt. Anschließend wird das Elektron auf Ferredoxin übertragen, das NADP mithilfe des Enzyms Ferredoxin-NADP-Reduktase reduziert.
Das im b 6 f-Komplex reduzierte Plastocyanin-Protein wird von der Seite des Intrathylakoidraums zum Reaktionszentrum des ersten Photosystems transportiert und überträgt ein Elektron auf das oxidierte P700.
Zyklischer und pseudozyklischer Elektronentransport
Zusätzlich zum oben beschriebenen vollständigen nichtzyklischen Elektronenpfad wurde ein zyklischer und pseudozyklischer Pfad entdeckt.
Das Wesen des zyklischen Weges besteht darin, dass Ferredoxin anstelle von NADP Plastoquinon reduziert, das es zurück zum b 6 f-Komplex überträgt. Dies führt zu einem größeren Protonengradienten und mehr ATP, aber kein NADPH.
Im pseudozyklischen Weg reduziert Ferredoxin Sauerstoff, der weiter in Wasser umgewandelt wird und im Photosystem II verwendet werden kann. In diesem Fall wird auch NADPH nicht gebildet.
Dunkle Bühne
Im Dunkelstadium wird CO 2 unter Beteiligung von ATP und NADPH zu Glucose (C 6 H 12 O 6) reduziert. Obwohl Licht für diesen Prozess nicht erforderlich ist, ist es an seiner Regulierung beteiligt.
C 3 -Photosynthese, Calvin-Zyklus
Die dritte Stufe umfasst 5 PHA-Moleküle, die durch die Bildung von 4-, 5-, 6- und 7-Kohlenstoff-Verbindungen zu 3 5-Kohlenstoff-Ribulose-1,5-Biphosphat kombiniert werden, was 3ATP erfordert.
Schließlich sind für die Glukosesynthese zwei PHAs erforderlich. Um eines seiner Moleküle zu bilden, sind 6 Zyklusumdrehungen, 6 CO 2, 12 NADPH und 18 ATP erforderlich.
C 4 -Photosynthese
Hauptartikel: Hatch-Slack-Karpilov-Zyklus, C4-Photosynthese
Bei einer geringen Konzentration von im Stroma gelöstem CO 2 katalysiert Ribulosebiphosphatcarboxylase die Oxidationsreaktion von Ribulose-1,5-biphosphat und seinen Abbau in 3-Phosphoglycerinsäure und Phosphoglykolsäure, die zwangsweise im Prozess der Photorespiration verwendet werden .
Um die CO2-Konzentration zu erhöhen, veränderten Pflanzen des Typs 4 C ihre Blattanatomie. Der Calvin-Zyklus ist in den Hüllzellen des Leitbündels lokalisiert; in den Mesophyllzellen wird Phosphoenolpyruvat unter der Wirkung von PEP-Carboxylase zu Oxalessigsäure carboxyliert, die in Malat oder Aspartat umgewandelt und zu den Hüllzellen transportiert wird, wo es wird decarboxyliert, um Pyruvat zu bilden, das in die Mesophyllzellen zurückgeführt wird.
Mit 4 geht die Photosynthese praktisch nicht mit Verlusten an Ribulose-1,5-biphosphat aus dem Calvin-Zyklus einher und ist daher effizienter. Für die Synthese eines Glukosemoleküls sind jedoch nicht 18, sondern 30 ATP erforderlich. Begründet wird dies in den Tropen, wo das heiße Klima das Schließen der Stomata erfordert, was den Eintritt von CO 2 in das Blatt verhindert, sowie mit einer ruderalen Lebensstrategie.
Photosynthese selbst
Später wurde festgestellt, dass Pflanzen neben der Freisetzung von Sauerstoff auch Kohlendioxid absorbieren und unter Beteiligung von Wasser im Licht organische Stoffe synthetisieren. Basierend auf dem Energieerhaltungssatz postulierte Robert Mayer, dass Pflanzen die Energie des Sonnenlichts in die Energie chemischer Bindungen umwandeln. W. Pfeffer nannte diesen Vorgang Photosynthese.
Chlorophylle wurden erstmals von P. J. Peltier und J. Caventou isoliert. M. S. Tsvet gelang es, die Pigmente zu trennen und sie mithilfe der von ihm entwickelten Chromatographiemethode separat zu untersuchen. Die Absorptionsspektren von Chlorophyll wurden von K. A. Timiryazev untersucht, der bei der Entwicklung der Mayer-Prinzipien zeigte, dass es die absorbierten Strahlen sind, die es ermöglichen, die Energie des Systems zu erhöhen und hochenergetische C-C-Bindungen anstelle schwacher C-O- und O-H-Bindungen zu erzeugen ( Zuvor glaubte man, dass bei der Photosynthese gelbe Strahlen verwendet werden, die nicht von Blattpigmenten absorbiert werden. Dies gelang dank der von ihm entwickelten Methode zur Bilanzierung der Photosynthese auf Basis des absorbierten CO 2: Bei Experimenten zur Beleuchtung einer Pflanze mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge (verschiedener Farben) stellte sich heraus, dass die Intensität der Photosynthese mit dem Absorptionsspektrum von Chlorophyll übereinstimmt .
Die Redoxnatur der Photosynthese (sowohl sauerstoffhaltiger als auch anoxygener) wurde von Cornelis van Niel postuliert. Dies bedeutete, dass Sauerstoff bei der Photosynthese vollständig aus Wasser gebildet wird, was von A.P. Vinogradov in Experimenten mit einer Isotopenmarkierung experimentell bestätigt wurde. Robert Hill fand heraus, dass der Prozess der Wasseroxidation (und Sauerstofffreisetzung) und der CO 2 -Assimilation getrennt werden können. W. D. Arnon etablierte den Mechanismus der Lichtstufen der Photosynthese, und die Essenz des CO 2 -Assimilationsprozesses wurde Ende der 1940er Jahre von Melvin Calvin mithilfe von Kohlenstoffisotopen enthüllt, wofür er den Nobelpreis erhielt.
Andere Fakten
siehe auch
Literatur
- Hall D., Rao K. Photosynthese: Übers. aus dem Englischen - M.: Mir, 1983.
- Pflanzenphysiologie / Hrsg. Prof. Ermakova I. P. - M.: Akademie, 2007
- Molekularbiologie der Zellen / Albertis B., Bray D. et al. In 3 Bänden. - M.: Mir, 1994
- Rubin A. B. Biophysik. In 2 Bänden. - M.: Verlag. Moskauer Universität und Wissenschaft, 2004.
- Chernavskaya N. M.,
27.02.2014 | Ein Kommentar | Lolita Okolnova
Photosynthese- der Prozess der Bildung organischer Substanzen aus Kohlendioxid und Wasser im Licht unter Beteiligung photosynthetischer Pigmente.
Chemosynthese- eine Methode der autotrophen Ernährung, bei der die Energiequelle für die Synthese organischer Stoffe aus CO 2 die Oxidationsreaktionen anorganischer Verbindungen sind
Typischerweise sind alle Organismen in der Lage, organische Substanzen aus anorganischen Substanzen zu synthetisieren, d. h. Organismen, die dazu fähig sind Photosynthese und Chemosynthese, beziehen auf .
Einige werden traditionell als Autotrophe klassifiziert.
Wir haben kurz über den Aufbau einer Pflanzenzelle gesprochen, schauen wir uns den gesamten Prozess genauer an ...
Die Essenz der Photosynthese
(Zusammenfassende Gleichung)
Die Hauptsubstanz, die am mehrstufigen Prozess der Photosynthese beteiligt ist, ist Chlorophyll. Dadurch wird Sonnenenergie in chemische Energie umgewandelt.
Die Abbildung zeigt eine schematische Darstellung des Chlorophyllmoleküls, das Molekül ist übrigens dem Hämoglobinmolekül sehr ähnlich...
Chlorophyll ist eingebaut Chloroplast Grana:
Lichtphase der Photosynthese:
(durchgeführt an Thylakoidmembranen)
- Licht, das auf ein Chlorophyllmolekül trifft, wird von diesem absorbiert und bringt es in einen angeregten Zustand – das Elektron, das Teil des Moleküls ist, bewegt sich, nachdem es die Energie des Lichts absorbiert hat, auf ein höheres Energieniveau und nimmt an Syntheseprozessen teil;
- Unter Lichteinfluss kommt es auch zur Spaltung (Photolyse) von Wasser:
In diesem Fall wird Sauerstoff an die äußere Umgebung abgegeben und Protonen sammeln sich im Thylakoid im „Protonenreservoir“.
2Н + + 2е - + NADP → NADPH 2
NADP ist eine spezifische Substanz, ein Coenzym, d.h. ein Katalysator, in diesem Fall ein Wasserstoffträger.
- synthetisiert (Energie)
Dunkle Phase der Photosynthese
(kommt im Stroma von Chloroplasten vor)
tatsächliche Glukosesynthese
Es findet ein Reaktionszyklus statt, bei dem C 6 H 12 O 6 entsteht. Diese Reaktionen nutzen die Energie von ATP und NADPH 2, die in der leichten Phase gebildet werden; Neben Glukose entstehen bei der Photosynthese weitere Monomere komplexer organischer Verbindungen – Aminosäuren, Glycerin und Fettsäuren, Nukleotide
Bitte beachten Sie: Diese Phase ist dunkel Es wird nicht so genannt, weil es nachts stattfindet – die Glukosesynthese findet im Allgemeinen rund um die Uhr statt. aber die Dunkelphase erfordert keine Lichtenergie mehr.
„Photosynthese ist ein Prozess, von dem letztendlich alle Erscheinungsformen des Lebens auf unserem Planeten abhängen.“
K.A.Timiryazev.
Durch die Photosynthese entstehen auf der Erde etwa 150 Milliarden Tonnen organisches Material und pro Jahr werden etwa 200 Milliarden Tonnen freier Sauerstoff freigesetzt. Darüber hinaus beziehen Pflanzen Milliarden Tonnen Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Kalzium, Magnesium, Kalium und andere Elemente in den Kreislauf ein. Obwohl ein grünes Blatt nur 1-2 % des auf es fallenden Lichts verbraucht, werden die von der Pflanze erzeugten organischen Stoffe und der Sauerstoff im Allgemeinen verbraucht.
Chemosynthese
Die Chemosynthese erfolgt aufgrund der Energie, die bei chemischen Oxidationsreaktionen verschiedener anorganischer Verbindungen freigesetzt wird: Wasserstoff, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Eisen(II)-oxid usw.
Nach den Stoffen, die am Stoffwechsel von Bakterien beteiligt sind, gibt es:
- Schwefelbakterien – Mikroorganismen von Gewässern, die H 2 S enthalten – Quellen mit einem sehr charakteristischen Geruch,
- Eisenbakterien,
- nitrifizierende Bakterien – oxidieren Ammoniak und salpetrige Säure,
- stickstofffixierende Bakterien – bereichern Böden, steigern die Produktivität erheblich,
- wasserstoffoxidierende Bakterien
Aber das Wesentliche bleibt dasselbe – das ist auch so
Der Prozess der Photosynthese ist einer der wichtigsten biologischen Prozesse in der Natur, da durch ihn unter dem Einfluss von Licht aus Kohlendioxid und Wasser organische Substanzen gebildet werden, und dieses Phänomen wird Photosynthese genannt. Und was am wichtigsten ist: Während des Prozesses der Photosynthese kommt es zu einer Freisetzung, die für die Existenz des Lebens auf unserem erstaunlichen Planeten von entscheidender Bedeutung ist.
Geschichte der Entdeckung der Photosynthese
Die Geschichte der Entdeckung des Phänomens der Photosynthese reicht vier Jahrhunderte zurück, als im Jahr 1600 ein gewisser belgischer Wissenschaftler Jan Van Helmont ein einfaches Experiment durchführte. Er legte einen Weidenzweig (nachdem er sein Anfangsgewicht notierte) in einen Sack, der auch 80 kg Erde enthielt. Und dann wurde die Pflanze fünf Jahre lang ausschließlich mit Wasser bewässert. Was war die Überraschung des Wissenschaftlers, als nach fünf Jahren das Gewicht der Pflanze um 60 kg zunahm, obwohl die Masse der Erde nur um 50 Gramm abnahm, woher diese beeindruckende Gewichtszunahme kam, blieb dem Wissenschaftler ein Rätsel Wissenschaftler.
Das nächste wichtige und interessante Experiment, das zum Auftakt zur Entdeckung der Photosynthese wurde, wurde 1771 vom englischen Wissenschaftler Joseph Priestley durchgeführt (es ist merkwürdig, dass Herr Priestley aufgrund seines Berufs Priester der anglikanischen Kirche war , aber er ging als herausragender Wissenschaftler in die Geschichte ein). Was hat Herr Priestley getan? Er steckte die Maus unter eine Haube und fünf Tage später starb sie. Dann platzierte er wieder eine weitere Maus unter der Haube, aber dieses Mal befand sich neben der Maus auch ein Zweig Minze unter der Haube, und so blieb die Maus am Leben. Das erzielte Ergebnis führte den Wissenschaftler zu der Idee, dass es einen bestimmten Prozess gibt, der dem Atmen entgegengesetzt ist. Eine weitere wichtige Schlussfolgerung dieses Experiments war die Entdeckung, dass Sauerstoff für alle Lebewesen lebenswichtig ist (die erste Maus starb an Sauerstoffmangel, die zweite überlebte dank eines Minzzweigs, der während des Photosyntheseprozesses Sauerstoff erzeugte).
Damit wurde festgestellt, dass die grünen Pflanzenteile in der Lage sind, Sauerstoff abzugeben. Dann, bereits 1782, bewies der Schweizer Wissenschaftler Jean Senebier, dass Kohlendioxid unter Lichteinfluss in grüne Pflanzen zerfällt – tatsächlich wurde eine andere Seite der Photosynthese entdeckt. Dann, weitere 5 Jahre später, entdeckte der französische Wissenschaftler Jacques Boussengo, dass Pflanzen bei der Synthese organischer Substanzen Wasser aufnehmen.
Und der Schlussakkord in einer Reihe wissenschaftlicher Entdeckungen im Zusammenhang mit dem Phänomen der Photosynthese war die Entdeckung des deutschen Botanikers Julius Sachs, dem es 1864 gelang zu beweisen, dass das Verhältnis von verbrauchtem Kohlendioxid und freigesetztem Sauerstoff im Verhältnis 1:1 steht.
Die Bedeutung der Photosynthese im menschlichen Leben
Im übertragenen Sinne kann man das Blatt einer Pflanze mit einem kleinen Labor vergleichen, dessen Fenster zur Sonnenseite zeigen. In diesem Labor findet die Bildung organischer Substanzen und Sauerstoff statt, die die Grundlage für die Existenz organischen Lebens auf der Erde bilden. Denn ohne Sauerstoff und Photosynthese gäbe es auf der Erde einfach kein Leben.
Aber wenn die Photosynthese so wichtig für das Leben und die Freisetzung von Sauerstoff ist, wie leben dann Menschen (und nicht nur Menschen), zum Beispiel in der Wüste, wo es ein Minimum an Grünpflanzen gibt, oder zum Beispiel in einer Industriestadt? wo Bäume selten sind. Tatsache ist, dass Landpflanzen nur für 20 % des in die Atmosphäre freigesetzten Sauerstoffs verantwortlich sind, während die restlichen 80 % von Meeres- und Ozeanalgen freigesetzt werden. Nicht umsonst werden die Weltmeere manchmal als „die Lunge unseres Planeten“ bezeichnet. ”
Photosynthese-Formel
Die allgemeine Formel für die Photosynthese kann wie folgt geschrieben werden:
Wasser + Kohlendioxid + Licht > Kohlenhydrate + Sauerstoff
So sieht die Formel für die chemische Reaktion der Photosynthese aus:
6CO 2 + 6H 2 O = C6H 12 O 6 + 6O 2
Die Bedeutung der Photosynthese für Pflanzen
Versuchen wir nun, die Frage zu beantworten, warum Pflanzen Photosynthese benötigen. Tatsächlich ist die Versorgung der Atmosphäre unseres Planeten mit Sauerstoff bei weitem nicht der einzige Grund für die Photosynthese. Dieser biologische Prozess ist nicht nur für Menschen und Tiere, sondern auch für die Pflanzen selbst lebenswichtig, da bei der Photosynthese organische Substanzen entstehen bilden die Grundlage des Pflanzenlebens.
Wie läuft die Photosynthese ab?
Der Hauptmotor der Photosynthese ist Chlorophyll – ein spezielles Pigment, das in Pflanzenzellen enthalten ist und unter anderem für die grüne Farbe der Blätter von Bäumen und anderen Pflanzen verantwortlich ist. Chlorophyll ist eine komplexe organische Verbindung, die auch eine wichtige Eigenschaft besitzt – die Fähigkeit, Sonnenlicht zu absorbieren. Durch seine Aufnahme aktiviert Chlorophyll das kleine biochemische Labor, das in jedem kleinen Blatt, in jedem Grashalm und in jeder Alge enthalten ist. Als nächstes findet die Photosynthese statt (siehe Formel oben), bei der Wasser und Kohlendioxid in für Pflanzen notwendige Kohlenhydrate und für alle Lebewesen notwendigen Sauerstoff umgewandelt werden. Die Mechanismen der Photosynthese sind eine geniale Schöpfung der Natur.
Phasen der Photosynthese
Außerdem besteht der Prozess der Photosynthese aus zwei Phasen: hell und dunkel. Und im Folgenden werden wir ausführlich über jeden von ihnen schreiben.
