Примеры хлорофилла
Растения
В растениях хлорофилл является основным фотосинтетическим пигментом. Хлоропласт содержит большое количество хлорофилловых пигментов для поглощения световой энергии. У некоторых растений вырастает побег, который весь зеленый. Примерами могут служить травы, которые содержат большое количество пигментов хлорофилла не только в листьях, но и на стеблях.
И наоборот, есть растения, которые со временем развиваются в толстые коричневатые стебли, называемые корой. Тем не менее их листья остаются зелеными и служат основным органом растения для фотосинтеза. В то время как некоторые деревья остаются «вечнозелеными», имея листья в течение всего сезона, есть также деревья, которые теряют свои листья в конце вегетационного периода. Их называют лиственными.
Лиственные деревья разрушают свои хлорофиллы, в результате чего их листья приобретают другой цвет, например желтый, фиолетовый, красный или коричневый. Они, как правило, переносят питательные вещества из листьев в стебли и корни в качестве адаптации к зиме или сухому сезону. Листья опадают. Затем, к концу зимы или сухого сезона, они снова отращивают листья, богатые хлорофиллами, чтобы собирать свет для фотосинтеза.
Водоросли
В водорослях хлорофиллы также содержатся внутри хлоропластов. Большинство водорослей способны к фотосинтезу. У некоторых видов водорослей отсутствуют пигменты, и поэтому они бесцветны и гетеротрофны. Фотосинтезирующие водоросли являются основным биологическим источником атмосферного кислорода.
Они представляют собой разнообразную группу микроскопических и макроскопических автотрофов, которые обычно процветают в различных водоемах. Хотя большинство из них являются водными, некоторые обитают в наземных местах обитания, таких как влажная почва, деревья и камни. Другие живут в лишайниках, где они образуют симбиотические отношения с определенными видами грибов.
Цианобактерии
Цианобактерии являются примерами прокариот, которые являются фотосинтезирующими из-за присутствия хлорофилла. Другие фотосинтезирующие бактерии, такие как зеленые сернистые бактерии, пурпурные бактерии, хлорофлекси и гелиобактерии, не обладают хлорофиллом, а только аналогичным фотосинтетическим пигментом, называемым бактериохлорофиллом.
Бактериохлорофилл не участвует в образовании кислорода в качестве побочного продукта фотосинтеза. Это делает хлорофилл, особенно хлорофилл-a.
Цианобактерии имеют тилакоидные мембраны, но не организованы внутри органелл. Скорее всего, тилакоиды являются образованиями плазматической мембраны цианобактериальной клетки. В отличие от растительных тилакоидов, которые организованы в стопки или диски (гранулы), цианобактериальные тилакоиды организованы в концентрические оболочки.
Хлорофилл в эволюции
Считается, что появление организмов, способных использовать энергию солнца для создания собственной пищи несколько миллионов лет назад, привело к появлению в настоящее время разнообразных видов фотосинтеза на Земле. Была предложена теория, предполагающая, что древние фотосинтезирующие прокариоты были взяты в качестве симбионтов внутри более крупных клеток организмов.
Эта форма симбиоза называется эндосимбиозом, который, как предполагается, привел к появлению эукариот. Более крупная клетка (ранний эукариот) поглотила меньшую клетку (ранний прокариот) и, в конечном итоге, превратилась в полуавтономную органеллу.
В частности, меньшая клетка, способная осуществлять фотосинтез, в конечном итоге превратилась в хлоропласт. Эта теория называется эндосимбиотической теорией.
Теория предполагает, что эукариотическая клетка приняла цианобактерии в качестве эндосимбионтов и привела к появлению групп водорослей, таких как хлорофиты (принадлежащие к зеленым водорослям), родофиты (красные водоросли) и глаукофиты.
Самостоятельная работа с ответами к учебнику В.В. Пасечника
Фотосинтез
Выберите верный вариант ответа
Вопрос 1. Какое вещество образуется в листьях зеленого растения на свету?
поваренная соль вода йод крахмал
Вопрос 2. Как доказывается выделение кислорода растением?
при помощи горящей лучины при помощи лампочки по запаху по изменению цвета
Вопрос 3. Что может использоваться для поглощения углекислого газа?
спирт раствор йода едкая щелочь перекись
Вопрос 4. Какова роль хлоропластов в фотосинтезе?
поглощают свет запасают воду накапливают молекулы кислорода переносят органические вещества по растению
Вопрос 5. Какой тип питания не характерен для большинства растений?
воздушное готовыми органическими веществами автотрофное питание минеральное
Вопрос 6. В чем не нуждается растение?
свете солнца готовых органических веществах воде минеральных солях
Вопрос 7. Каким образом вода поступает в растение?
через устьица она поглощается корнями вода образуется цветком впитывается листом
Вопрос 8. Когда растение выделяет кислород?
всегда только в дневное время когда ему это будет нужно при попадании на него света
Вопрос 9. Какое из свойств растений является наиболее важным?
образование кислорода очищение воздуха от примесей фотосинтез поглощение углекислого газа из атмосферы
Отметьте верные утверждения
Крахмал может образовать другие органические вещества Хлорофилл хорошо растворяется в воде Воздушное питание и фотосинтез это различные процессы Образование крахмала в листе происходит на третьи сутки При минеральном питание поглощается вода и соли Углекислый газ не поддерживает горение Крахмал образуется во всех листьях растения Раствор йода с крахмалом окрашивается в синий цвет Фотосинтез невозможен без светаОтметьте верные варианты ответов !Правильные ответы доступны при прохождении теста на сайте !
Пигменты хлоропластов
Что происходит во время фотосинтеза? На молекулярном уровне фотосинтез обеспечивают особые вещества — пигменты, благодаря которым энергия солнечного света становится доступной для биологических систем. У фотосинтезирующих организмов можно выделить три основные группы пигментов:
Хлорофиллы:
- хлорофилл а — у большинства фотосинтезирующих организмов,
- хлорофилл b — у высших растений и зелёных водорослей,
- хлорофилл c — у бурых водорослей,
- хлорофилл d — у некоторых красных водорослей.
Каротиноиды:
- каротины — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот;
- ксантофиллы — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот
- Фикобилины — красные и синие пигменты красных водорослей.
<<Форма демодоступа>>
В хлоропластах пигменты ассоциированы с белками с помощью ионных, водородных и других типов связей. Не стоит забывать, что у растений есть множество других пигментов, находящихся не в хлоропластах и не принимающих участие в фотосинтезе — например, антоцианы.
Хлорофилл
Хлорофиллы выполняют функции поглощения, преобразования и транспорта энергии света. Лучше всего хлорофиллы поглощают свет в синей (430—460 нм) и красной (650—700 нм) областях спектра. Зелёную область спектра хлорофиллы эффективно отражают, что придаёт растению зелёный цвет.
Интересно, что строение молекулы хлорофилла схоже со строением гемоглобина, но центром молекулы хлорофилла является ион магния, а не железа.
Основными хлорофиллами высших растений являются хлорофилл a и хлорофилл b, они входят в состав реакционных центров фотосистем и светособирающих комплексов мембран тилакоидов хлоропластов. Светособирающие комплексы улавливают кванты света и передают энергию к фотосистемам I и II. Фотосистемы — это пигмент-белковые комплексы, играющие ключевую роль в световой фазе фотосинтеза.
Каротиноиды
Каротиноиды — это жёлтые, оранжевые или красные пигменты. В зелёных листьях каротиноиды обычно незаметны из-за наличия в листьях хлорофилла. При разрушении хлорофилла осенью именно каротиноиды придают листьям характерную жёлто-оранжевую окраску.
Функции каротиноидов:
Антенная — входят в состав светособирающих комплексов, улавливают энергию света и передают её на хлорофиллы. Каротиноиды играют роль дополнительных светособирающих пигментов в той части солнечного спектра (450—570 нм), где хлорофиллы малоэффективны
Особенно это важно для водных экосистем, в которых волны оптимальной для хлорофиллов длины быстро исчезают с глубиной.
Защитная функция (антиоксидантная) — обезвреживание агрессивных кислородных соединений (активных форм кислорода) и избытка хлорофилла в возбуждённом состоянии при слишком ярком освещении.
Каротиноиды химически представляют собой 40-углеродную цепь с двумя углеродными кольцами по краям цепи. В строении ксантофиллов, в отличие от каротинов, присутствуют спиртовые, эфирные или альдегидные группы.
Что такое фотосинтез
Фотосинтез — процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза.
Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты, — преимущественно, в листе, на который приходится большая часть процессов фотосинтеза. Такая ткань называется хлоренхима, или мезофилл.
Строение хлоропластов
Чтобы понять, что происходит в растении при фотосинтезе, изучим подробнее хлоропласты. Хлоропласты — это особые пластиды растительных клеток, в которых происходит фотосинтез. Основные элементы структурной организации хлоропластов высших растений представлены на рис.1.
Хлоропласт — это двумембранный органоид. Внешняя мембрана проницаема для большинства органических и неорганических соединений. Она содержит специальные транспортные белки, благодаря которым нужные для работы хлоропласта пептиды и другие вещества попадают в него из цитоплазмы. Внутренняя мембрана обладает избирательной проницаемостью и способна контролировать, какие именно вещества попадут во внутреннее пространство хлоропласта.
Для хлоропластов характерна сложная система внутренних мембран, позволяющая пространственно организовать фотосинтетический аппарат, упорядочить и разделить реакции фотосинтеза, несовместимые между собой, и их продукты. Мембраны образуют тилакоиды, которые, в свою очередь, собираются в «стопки» — граны. Пространство внутри тилакоидов называется внутритилакоидным пространством, или люменом.
Внутреннее пространство хлоропласта между гранами заполняет строма — гидрофильный слабоструктурированный матрикс. В строме содержатся необходимые для реакций синтеза сахаров ферменты, а также рибосомы, кольцевая молекула ДНК, крахмальные зёрна.
Значение фотосинтеза
В процессе фотосинтеза энергия света заключается в энергию химических связей органических веществ. Поэтому фотосинтез служит первичным источником почти всей энергии, используемой живыми организмами в процессе жизнедеятельности. Практически все живые организмы, за исключением хемосинтетиков, так или иначе пользуются теми продуктами, что выделяются при фотосинтезе.
За счёт фотосинтеза сформировалась и поддерживается пригодная для дыхания атмосфера с высоким содержанием кислорода.
Фиксация углекислого газа в ходе фотосинтеза служит главным местом входа неорганического углерода в биогеохимический цикл. Также ассимиляция CO2 препятствует перегреву Земли, предотвращая парниковый эффект.
Темновая фаза фотосинтеза
Что образуется при фотосинтезе в темновую фазу? В строме хлоропластов с помощью энергии АТФ и восстановителя НАДФН, полученных в световую фазу, образуются простые сахара, из которых в ходе других процессов образуется крахмал. Ферментативные процессы не нуждаются в наличии света. Важнейший процесс, происходящий в темновую фазу фотосинтеза, — фиксация углекислого газа воздуха. Синтез и превращения сахаров в хлоропластах имеют циклический характер и носят название цикл Кальвина.
В нём можно выделить три этапа:
- Фаза карбоксилирования (введение CO2 в цикл).
- Фаза восстановления (используются АТФ и НАДФН, полученные в световую фазу).
- Фаза регенерации (превращения сахаров).
В строме хлоропластов находится производное простого пятиуглеродного сахара рибозы. С помощью особого фермента (Рубиско) к производному рибозы присоединяется CO2 (реакция карбоксилирования) — образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое быстро распадается на две трехуглеродные молекулы. Дальше, с затратой АТФ и НАДФН, полученных в ходе световых процессов, трехуглеродное соединение модифицируется — образуется восстановленное соединение с атомом фосфора и альдегидной группой в составе. Теперь перед клеткой стоит проблема: необходимо получить шестиуглеродное соединение — глюкозу для синтеза крахмала, а также пятиуглеродное — производное рибозы для того, чтобы эти процессы могли начаться заново. Для решения этих проблем в фазу регенерации из полученных ранее трехуглеродных соединений под действием ферментов образуются четырёх-, пяти-, шести- и семиуглеродные сахара. Из шестиуглеродной молекулы образуется глюкоза, из которой синтезируется крахмал. Из пятиуглеродной молекулы образуется производное рибозы и цикл замыкается. Остальные сахара также используются клеткой в других биохимических процессах.
Отдельно стоит сказать про крайне важный фермент первой фазы цикла Кальвина — рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазу (Рубиско). Это сложный фермент, состоящий из 16 субъединиц, с молекулярной массой в 8 раз больше, чем у гемоглобина. Является одним из важнейших ферментов в природе, поскольку играет центральную роль в основном механизме поступления неорганического углерода (из CO2) в биологический круговорот. Содержание Рубиско в листьях растений очень велико, он считается самым распространённым ферментом на Земле.
Фотосинтез
Выберите верный вариант ответаВопрос 1. Какое вещество образуется в листьях зеленого растения на свету?
поваренная соль вода йод крахмал
Вопрос 2. Как доказывается выделение кислорода растением?
при помощи горящей лучины при помощи лампочки по запаху по изменению цвета
Вопрос 3. Что может использоваться для поглощения углекислого газа?
спирт раствор йода едкая щелочь перекись
Вопрос 4. Какова роль хлоропластов в фотосинтезе?
поглощают свет запасают воду накапливают молекулы кислорода переносят органические вещества по растению
Вопрос 5. Какой тип питания не характерен для большинства растений?
воздушное готовыми органическими веществами автотрофное питание минеральное
Вопрос 6. В чем не нуждается растение?
свете солнца готовых органических веществах воде минеральных солях
Вопрос 7. Каким образом вода поступает в растение?
через устьица она поглощается корнями вода образуется цветком впитывается листом
Вопрос 8. Когда растение выделяет кислород?
всегда только в дневное время когда ему это будет нужно при попадании на него света
Вопрос 9. Какое из свойств растений является наиболее важным?
образование кислорода очищение воздуха от примесей фотосинтез поглощение углекислого газа из атмосферы
Отметьте верные утверждения
Образование органических веществ
Чтобы ответить на вопрос, во всех ли клетках листа образуется крахмал, поставим опыт с комнатным растением пеларгонией, или геранью окаймленной. Свое название это растение получило из-за белых, лишенных хлорофилла участков на листовой пластинке (белая каемка по краю листа). Поставим растение на яркий солнечный или электрический свет. Через несколько часов срежем один из листьев. Обесцветим его, так же как в первом опыте, промоем в воде и на 2—3 минуты положим в слабый раствор йода. В растворе йода лист окрасился в синий цвет не весь. Белая полоса по краю листа не окрасилась.
Почему в зеленой части листа обнаружен крахмал, а в белой каемке его нет? В клетках зеленой части листа имеются хлоропласты, содержащие хлорофилл. В них образуется сахар, а затем крахмал. В пластидах клеток белой полоски листа герани окаймленной нет хлорофилла. Поэтому здесь крахмал не обнаруживается. Итак, органические вещества образуются только в клетках с хлоропластами, и для их образования необходим свет.
Чтобы ответить на вопрос, из каких веществ образуются органические вещества, проведем следующий опыт . Выставим на свет на куске стекла под стеклянным колпаком веточку зеленого растения. Края колпака смажем вазелином. Рядом с растением под колпак поставим стакан с раствором едкой щелочи.
Вскоре под колпаком углекислый газ будет поглощен едкой щелочью. Воздух, содержащий углекислый газ, проникнуть под колпак не может, так как края его смазаны вазелином и плотно прижаты к стеклу.
Через двое суток снимем колпак с растения, срежем один лист и проверим, образовался ли в его клетках крахмал. При обработке иодом лист не посинеет. Значит, крахмала в листе нет. Следовательно, крахмал образуется в листьях только при наличии в воздухе углекислого «аза. Для образования сахара нужны углекислый газ, поступающий через устьица, и вода, которую поглощают корни из почвы.
Роль хлорофилла в процессе фотосинтеза
Преимущества хлорофилла
Благодаря хлорофиллу возможна вся жизнь на Земле.
- Первое преимущество хлорофилла — это сахар, образующийся в результате процесса АТФ, который управляется хлорофиллом. Растения, как первичные производители, составляют основу пищевой цепочки. Все остальные организмы в пищевой цепочке полагаются на сахара, которые растения создают для поддержания жизни. В то время как высшие хищники в пищевой цепочке, возможно, никогда не съедят ни одного растения, они, безусловно, едят травоядных животных. Эти травоядные животные едят только растения, а также выращивают и наращивают мышцы, переваривая и используя питательные вещества растений. Накопление этих питательных веществ в природе было бы невозможно без хлорофилла.
- Второе преимущество, реализуемое всеми организмами, — это кислород. В то время как хлорофилл не производит кислород напрямую, хлорофилл и связанный с ним комплекс белков передают электроны молекулам (таким, как АТФ и НАДФН), которые могут удерживать энергию в связях. Потребность в электронах для управления этим процессом заставляет молекулы воды расщепляться, образуя кислород. Этот кислород выбрасывается в атмосферу. Растения, водоросли и цианобактерии производят весь кислород в атмосфере. Все остальные животные и большинство растений нуждаются в этом кислороде, чтобы выжить.
Хлорофилл — это молекула, вырабатываемая растениями, водорослями и цианобактериями, которая способствует преобразованию световой энергии в химические связи. Хлорофилл известен как пигмент или молекула, которая отражает одни длины волн света, поглощая другие. Пигменты создают разнообразные цвета в растительном и животном мире. Хлорофилл — это зеленый пигмент, который отвечает за зеленый цвет растений и водорослей.
Безусловно, наиболее важной ролью хлорофилла является фотосинтез; но он также используется в качестве зеленого красителя в пищевых продуктах, косметике, мыле и алкогольных напитках. Его эфирная боковая цепь может быть расщеплена для получения фитола, спирта, используемого в синтезе витаминов Е и К1
Его даже пробовали в качестве антидетонационной присадки к бензину.
Типы фотосинтеза
Существует два типа фотосинтетических процессов:
- кислородный фотосинтез;
- бескислородный фотосинтез.
Они оба следуют очень похожи, но кислородный фотосинтез является наиболее распространенным и наблюдается у растений, водорослей и цианобактерий.
Во время кислородного фотосинтеза световая энергия переносит электроны из воды (H2O), поглощаемой корнями растений, в CO2 для получения углеводов. При этом переносе CO2 восстанавливается или получает электроны, а вода окисляется или теряет электроны. Кислород вырабатывается вместе с углеводами. Кислородный фотосинтез функционирует как противовес дыханию, поглощая CO2, вырабатываемый всеми дышащими организмами, и вновь вводя кислород в атмосферу.
Аноксигенный (бескислородный) фотосинтез — это процесс, при котором световая энергия преобразуется в химическую энергию без образования молекулярного кислорода в качестве побочного продукта. Этот процесс наблюдается в нескольких группах бактерий, таких как пурпурные бактерии, зеленые сернистые и несернистые бактерии, гелиобактерии и ацидобактерии. Без выработки кислорода эти бактериальные группы вырабатывают АТФ. Вода не используется в качестве начального донора электронов при бескислородном фотосинтезе.
§ 26. Фотосинтез
|
ВСПОМНИТЕ 1. Какие вещества входят в состав растений? 2. Какова роль хлоропластов в жизни растений? |
В конце XVIII в. учёные с помощью опытов выяснили, что для нормального роста и развития растениям необходимы вода, минеральные и органические вещества. Вы уже знаете, что воду и минеральные вещества растение получает из почвы.
Откуда в растении берутся органические вещества? Где они образуются? Учёные нашли ответы на эти вопросы. Они установили, что такие органические вещества, как сахар и крахмал (углеводы), образуются из углекислого газа и воды в клетках, содержащих хлоропласты, и только при участии света.
|
Процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) в хлоропластах с использованием энергии света называют фотосинтезом. |
Фотосинтез (рис. 60) происходит только в тех клетках, которые содержат хлоропласты. В хлоропластах имеется зелёный пигмент хлорофилл, который придаёт растению зелёную окраску. Именно он улавливает энергию света, необходимую для образования органических веществ.
У растений имеются приспособления для улавливапия света: широкая и плоская листовая пластинка; расположение листьев на стебле так, чтобы они не затеняли друг друга; прозрачпая кожица, через которую, как через стекло, свет проникает внутрь листа.
Углекислый газ, необходимый для фотосинтеза, растение поглощает из воздуха.
Часто в растениях образуется больше органических веществ, чем может быть немедленно израсходовано для роста и других жизненных процессов. Часть органических веществ запасается в семенах, клубнях, луковицах. Наиболее важным и часто запасаемым растениями веществом является крахмал.