ТЕМА 16. ФОТОСИНТЕЗ. ХЕМОСИНТЕЗ 1. ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ Фотосинтез Фотосинтез – процесс преобразования Е солнечного света в Е химических связей органических веществ клетками зеленых растений, некоторых бактерий, содержащих пигменты. Фотосинтетическими пигментами являются: 1. Хлорофилл (а-d) – зеленый, поглощает красную и синефиолетовую часть спектра. 2. Бактериохлорофилл (а-е) – бледно-синий. 3. Каротиноиды: каротин – оранжевый, ксантофилл – желтый; поглощают сине-фиолетовую часть спектра. 4. Фикобилины: фикоциан – сине-фиолетовый, фикоэритрин – фиолетово-красный; поглощают зеленую часть спектра. Фотосинтез – создание на свету из СО2 и Н2О органических веществ с помощью хлорофилла, при этом в атмосферу выделяется О2 6СО2 + 6Н2О hν → хлорофилл С6Н12О6 глюкоза + 6О2↑ или СО2 + Н2О hν → хлорофилл ↓ световая фаза в тилакоидах гран хлоропласта [СН2О] органические вещества + О2↑ ↓ темновая фаза в строме хлоропласта (Видеофрагмент «Строение хлоропласта».) Световая фаза нециклический путь ē (нециклическое фотофосфорилирование). циклический путь ē (циклическое фотофосфорилирование). Кванты света (hν) поглощаются фотосистемой I, возбужденные светом ē выбрасываются из реакционного центра Р700 и по цепи переносчиков ē (Р430, ферредоксин, редуктаза ферредоксина) переносятся на НАДФ+, восстанавливая в НАДФН. Возникшая при этом в реакционном центре Р700 «дырка» заполняется ē, который возбуждается светом в фотосистеме II, в ее реакционном центре Р680. Этот ē перемещается по цепи переносчиков (Z, пластохинон, цитохромы, пластоцианин) и заполняет «дырку» в фотосистеме I. По пути «вниз» этот богатый Е ē расходует ее на синтез АТФ из АДФ и Ф (фотофосфорилирование). «Дырка», возникшая в фотосистеме II, заполняется ē, которые образуются в результате фотолиза воды hν 2Н2О → 4Н++4ē + О2↑ Таким образом, энергия света обеспечивает: 1. Синтез АТФ. 2. Восстановление НАДФ + в НАДФН. 3. Фотолиз воды, который поставляет ē для фотосистем I и II. 4. Фотолиз воды ведет к образованию О2, который при фотосинтезе не используется. В данном случае рассматривается нециклическое фотофосфорилирование. Существует еще и циклическое фотофосфорилирование, при котором ē от Р430 возвращаются на Р700. Сравнение нециклического и циклического фотофосфорилирования Фотофосфорилирование Нециклическое Циклическое Путь ē Нециклический Циклический Первый донор ē Н2О Фотосистема I Последний акцептор ē НАДФ Фотосистема I Продукты АТФ, НАДФН, О2 АТФ Участвующие фотосистемы I, II I Темновая фаза В строму хлоропласта поступают из световой фазы НАДФН, АТФ и из атмосферы СО2, протекает цикл Кальвина, в результате синтезируется глюкоза: 1. Карбоксилирование – присоединение СО2 к 5С РиБФ с образованием ФГК. 2. Восстановление ФГК до ТФ с использованием НАДФН и АТФ. Из 2 ТФ образуется конечный продукт – глюкоза. 3. Регенерация акцептора для СО2 – РиБФ. Наряду с наиболее распространенным циклом Кальвина (С3– путь) для некоторых растений характерен путь Хэтча-Слэка (С4– путь), при котором первыми продуктами фотосинтеза являются 4 С–кислоты (яблочная, ЩУК, аспарагиновая). С4–растения: кукуруза, сорго, просо, сахарный тростник. Фотосинтез у прокариот Особенностями бактериального фотосинтеза являются: 1. Не выделяется О2, нет фотолиза воды. 2. Донор Н – Н2, Н2S, органические соединения. 3. Нет фотосистемы II, только фотосистема I. 4. Главный пигмент – бактериохлорофилл. Фотосинтезирующими бактериями являются: зеленые серобактерии, пурпурные серобактерии (донор Н и ē – Н2S); пурпурные несерные бактерии (донор Н – органические соединения). У сине-зеленых водорослей фотосинтез протекает, как у эукариот, только у них (сине-зеленых водорослей) нет хлоропластов, поэтому он происходит на фотосинтетических мембранах по всей цитоплазме. Хемосинтез Хемосинтез осуществляют бактерии, которые используют в качестве источника углерода СО2, а Е получают за счет Е окислительно-восстановительных реакций. Хемосинтез открыл С.Н. Виноградский в 1889–1890 гг. Хемосинтез осуществляют: 1. Бесцветные серобактерии. Обитают в водоемах, содержащих сероводород. 2H2S + O2→2H2O +2S+E 2S + 3O2+ 2H2O →2H2SO4+ E 2. Нитрифицирующие бактерии. Осуществляют круговорот азота в природе, нитрификацию почв. 2NH3+ 3O2→ 2HNO2 + 2H2O +E Nitrosomonas 2 HNO2+ O2 → 2HNO3 +E Nitrobacter 3. Железобактерии. Образуют руды железа (также образуются и руды марганца). 4FeCO3 + O2 + 6H2O → 4Fe(OH)3 + 4CO2 +E 4. Водородные бактерии окисляют водород, образующийся при анаэробном разложении органических остатков 2H2+ O2 → 2H2O + E Pseudomonas 2. ТЕСТЫ С ВЫБОРОМ ОДНОГО ПРАВИЛЬНОГО ОТВЕТА 1. Какой из перечисленных ниже процессов характерен для всех живых организмов? а) хемосинтез; б) фотосинтез; в) обмен веществ и энергии; г) спиртовое брожение. 2. Метаболизм в клетке состоит из процессов: а) возбуждения и торможения; б) пластического и энергетического обмена; в) роста и развития; г) транспорта гормонов и витаминов. 3. В обеспечении организма строительным материалом состоит значение: а) энергетического обмена; б) пластического обмена; в) световой фазы фотосинтеза; г) окисления органических веществ. 4. При нарушении пластического обмена прекращается снабжение клетки: а) белками; б) молекулами АТФ; в) энергией; г) кислородом. 5. Реакции окисления органических веществ в клетке, сопровождаемые синтезом молекул АТФ, за счет освобождаемой энергии называют: а) энергетическим обменом; б) пластическим обменом; в) фотосинтезом; г) хемосинтезом. 6. Кроме растений, к автотрофным организмам относят: а) грибы-сапротрофы; б) бактерии гниения; в) хемосинтезирующие бактерии; г) шляпочные грибы. 7. Животные не создают органические вещества из неорганических, поэтому их относят к: а) автотрофам; б) гетеротрофам; в) прокариотам; г) хемотрофам. 8. Растения, в отличие от животных, в процессе питания не используют: а) энергию солнечного света; б) готовые органические вещества; в) углекислый газ и воду; г) минеральные соли. 9. Хемосинтезирующие бактерии в экосистеме: а) потребляют готовые органические вещества; б) разлагают органические вещества до минеральных; в) разлагают минеральные вещества; г) создают органические вещества из неорганических. 10. К какой группе по способу питания относят бактерию дизентерийную палочку? а) сапротрофы; б) паразиты; в) симбионты; г) автотрофы. 11. Исходным материалом для фотосинтеза служат: а) кислород и углекислый газ; б) вода и кислород; в) углекислый газ и вода; г) углеводы. 12. Фотосинтез происходит: а) в хлоропластах; б) в лейкопластах; в) в хромопластах; г) в митохондриях. 13. В основе фотосинтеза лежит процесс превращения: а) энергии света в энергию неорганических соединений; б) энергии света в энергию органических соединений; в) энергии органических соединений в энергию неорганических соединений; г) энергии мелких органических молекул в энергию более крупных органических молекул. 14. Фотосинтез – это: а) совокупность реакций биосинтеза; б) совокупность всех ферментативных реакций клетки; в) совокупность реакций расщепления; г) синтез органических веществ за счет световой энергии. 15. Энергия возбужденных электронов в световой стадии используется для: а) синтеза АТФ; б) синтеза белков; в) синтеза глюкозы; г) расщепления углеводов. 16. Основу реакционного центра хлорофилла составляет атом: а) Ca; б) Mg; в) Na; г) Fe. 17. Фотолизом воды называется: а) синтез АТФ; б) разложение воды под действием света; в) окисление глюкозы; г) расщепление органических веществ. 18. При фотосинтезе кислород образуется в результате: а) фотолиза воды; б) разложения углекислого газа; в) восстановления углекислого газа до глюкозы; г) синтеза АТФ. 19. В каком случае правильно перечислены процессы, происходящие в световой фазе? а) образование глюкозы, кислорода, АТФ; б) возбуждение хлорофилла, синтез АТФ и фотолиз воды; в) связывание углекислого газа, образование глюкозы и кислорода; г) синтез АТФ и глюкозы. 20. Какое вещество участвует в процессе фотосинтеза? а) НАД; б) ФАД; в) НАДФ; г) кофермент А. 21. Хлорофилл в хлоропластах растительных клеток: а) осуществляет связь между органоидами; б) ускоряет реакции энергетического обмена; в) поглощает энергию света в процессе фотосинтеза; г) осуществляет окисление органических веществ в процессе дыхания. тезу? 22. Какие из перечисленных организмов способны к фотосина) дрожжи и холерный вибрион; б) инфузория и белая планария; в) ольха и цианобактерии; г) мухомор и петров крест. 23. В клетках каких организмов содержится в десятки раз больше углеводов, чем в клетках животных? а) бактерий-сапрофитов; б) одноклеточных; в) простейших; г) растений. 24. Процесс фотосинтеза не происходит у: а) раффлезии; б) повилики; в) заразихи; г) все правильно. 25. Какая из названных реакций относится к темновой стадии фотосинтеза? а) связывание рибулозобифосфата с углекислым газом; б) возбуждение молекулы хлорофилла; в) образование АТФ; г) фотолиз воды. 26. Какие организмы осуществляют хемосинтез? а) дрожжи; б) железобактерии; в) вирусы; г) кишечная палочка. 27. При каких условиях фотосинтез не может продолжаться в темноте? а) если в клетках отсутствует АТФ; б) если нет кислорода; в) если повышено содержание углекислого газа; г) если отсутствует H. 28. Темновые реакции фотосинтеза протекают в: а) строме хлоропластов; б) рибосомах хлоропластов; в) мембранах тилакоидов; г) гранах. 29. Конечными продуктами реакций, вызываемых светом, являются: а) АТФ, НАДФН, О2; б) углевод, О2; в) АТФ, углевод, О2. 30. При повышении t выше 20 - 250С скорость фотосинтеза снижается, потому что: а) интенсивно начинает испаряться вода; б) закрываются устьица, что препятствует проникновению СО2; в) начинается денатурация ферментов, катализирующих реакции фотосинтеза; г) снижается возбуждение электронов в молекуле хлорофилла. 31. В ходе какого процесса в растительных клетках синтезируется АТФ? а) световая стадия фотосинтеза; б) темновая стадия фотосинтеза; в) биосинтез белка; г) редупликация ДНК. 32. Какой процесс происходит в темновой стадии фотосинтеза? а) синтез АТФ; б) образование кислорода; в) синтез углеводов; г) выделение кислорода. 33. Источником кислорода при фотосинтезе является: а) вода; б) углекислый газ; в) глюкоза; г) молочная кислота. 34. Энергия света при фотосинтезе используется на: а) синтез АТФ и фотолиз воды; б) разложение молекул АТФ; в) синтез белков; г) окисление глюкозы. 35. Свободный кислород образуется: а) в темновой стадии; б) постоянно; в) при окислении углеводов; г) в световой стадии. 3. ТЕСТЫ С ВЫБОРОМ НЕСКОЛЬКИХ ПРАВИЛЬНЫХ ОТВЕТОВ 1. Укажите, в чем заключается значение фотосинтеза: а) обогащение атмосферы кислородом; б) обогащение почвы солями азота; в) расщепление биополимеров до мономеров; г) окисление органических веществ до углекислого газа и воды; д) обеспечение живых организмов энергией; е) обеспечение живых организмов органическими веществами. 2. Какие процессы вызывает энергия солнечного света в листе? а) образование молекулярного кислорода в результате разложения воды; б) окисление пировиноградной кислоты до углекислого газа и воды; в) синтез молекул АТФ; г) расщепление биополимеров до мономеров; д) расщепление глюкозы до пировиноградной кислоты; е) образование атомарного водорода при фотолизе воды. 3. В темновую фазу фотосинтеза, в отличие от световой, происходит: а) фотолиз воды; б) восстановление углекислого газа до глюкозы; в) синтез молекул АТФ за счет энергии солнечного света; г) соединение водорода с переносчиком НАДФ+; д) использование энергии молекул АТФ на синтез углеводов; е) образование молекул крахмала из глюкозы. 4. УСТАНОВИТЕ СООТВЕТСТВИЕ 1. Установите соответствие между характеристикой и процессом, к которому она относится. Характеристика Процесс А) при образовании органических веществ 1) фотосинтез; используется солнечная энергия. 2) хемосинтез. Б) при образовании органических веществ используется энергия, высвобождаемая при окислении неорганических веществ. В) в атмосферу выделяется кислород. Г) осуществляется растениями. Д) осуществляется бактериями. Е) открыт С.Н. Виноградским в 1889 г. А Б В Г Д Е 2. Установите соответствие между веществами и их функциями при фотосинтезе. Вещества А) пятиуглеродный сахар. Б) АТФ. В) НАДФ. Г) глюкоза. А Б Функции при фотосинтезе 1) исходное вещество для начала световых реакций; 2) конечный продукт темновой фазы; 3) исходное вещество для начала темновых реакций; 4) конечный продукт световой фазы. В Г 3. Установите соответствие между особенностями обмена веществ и организмами, для которых эти особенности характерны. Особенности обмена веществ Организмы А) использование энергии солнечного света 1) автотрофы; для синтеза АТФ. 2) гетеротрофы. Б) использование энергии, заключенной в пище, для синтеза АТФ. В) использование только готовых органических веществ. Г) синтез органических веществ из неорганических. Д) выделение кислорода в процессе обмена веществ. А Б В Г Д 5. УСТАНОВИТЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ 1. Установите последовательность реакций и процессов световой фазы фотосинтеза: А) электроны, выбитые светом, улавливаются акцепторами электронов и передаются по цепи транспорта электрона. Б) фермент АТФаза синтезирует АТФ из АДФ и Ф. В) электроны от воды через акцептор передаются в ФС-2. Г) электроны от ФС-1 передаются по второй цепи транспорта к молекуле вещества-переносчика протонов – НАДФ. Д) кванты света поглощаются ФС-1 и ФС-2, одновременно в тилакоидах происходит фотолиз воды. 2. Установите последовательность реакций темновой фазы фотосинтеза: А) расщепление шестиуглеродного соединения на две трехуглеродные группы. Б) соединение СО2 с пятиуглеродным сахаром. В) каждая из триоз принимает по одной фосфатной группе. Г) объединение триоз, образование углеводов. Д) каждая из триоз принимает по одному атому водорода. 3. Установите последовательность процессов фотосинтеза: А) преобразование солнечной энергии в энергию АТФ. Б) образование возбужденных электронов хлорофилла. В) фиксация углекислого газа. Г) образование крахмала. Д) преобразование энергии АТФ в энергию глюкозы. 6. ДАЙТЕ РАЗВЕРНУТЫЙ ОТВЕТ НА ВОПРОСЫ 1. Каковы основные отличия фотосинтеза от хемосинтеза? 2. Как происходит преобразование энергии солнечного света в световой и темновой фазах фотосинтеза в энергию химических связей глюкозы?