Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
80
Цель работы:
1. Ознакомиться с явлением фотосинтеза в качестве примера метаболизма.
2. Зарегистрировать протекание реакции фотосинтеза путем измерения разности потенциалов между освещенной и затемненной частями растений.
Метаболизм (обмен веществ) – это химические превращения, протекающие от момента поступления питательных веществ в живой организм до момента, когда конечные продукты этих превращений выделяются во внешнюю среду.
К метаболизму относятся все реакции, в результате которых строятся структурные элементы клеток и тканей, и процессы, в которых из содержащихся в клетках веществ извлекается энергия.
Различают две стороны метаболизма:
Анаболические процессы обычно связаны с затратой энергии и приводят к образованию сложных молекул из более простых, катаболические же сопровождаются высвобождением энергии и заканчиваются образованием таких конечных продуктов (отходов) метаболизма, как мочевина, диоксид углерода (углекислый газ), аммиак и вода.
Примером метаболизма может служить фотосинтез растений. Изучение фотосинтеза началось в 1771 году, когда английский философ и натуралист-любитель Джозеф Пристли обнаружил и показал, что в присутствии растений “испорченный” воздух снова становится пригодным для горения и поддержания жизни животных. В ходе дальнейших исследований Ингенгауза, Сенебье, Соссюра, Буссенго и других ученых было установлено, что на свету растения выделяют кислород и поглощают из воздуха углекислый газ. Из углекислого газа и воды растения синтезируют органические вещества. Позже Роберт Майерв 1845 году высказал предположение, что растения превращают энергию солнечного света в энергию химических соединений. По его словам, “распространяющиеся в пространстве солнечные лучи “захватываются” и сохраняются для использования в дальнейшем по мере надобности”. Впоследствии русским ученым К.А. Тимирязевым было доказано, что важнейшую роль в использовании растениями энергии солнечного света играют молекулы хлорофилла, входящего в состав зеленых листьев.
Таким образом, фотосинтез – это процесс превращения неорганических веществ (воды и углекислого газа) в органические (углеводы) под действием солнечного света, который поглощается пигментами растения (хлорофиллом) и сопровождается выделением газообразного кислорода (для всех наземных растений и для большей части водных). Однако некоторым организмам свойственны другие виды фотосинтеза.
Главную реакцию фотосинтеза, идущего с выделением кислорода, можно записать в следующем виде:
ВОДА+НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА+СВЕТОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА+КИСЛОРОД
К органическим веществам, образующимся при фотосинтезе, относятся углеводы (в первую очередь сахара и крахмал), аминокислоты, из которых строятся белки, и жирные кислоты. Из неорганических веществ для синтеза всех этих соединений требуются вода (Н2О) и диоксид углерода (СО2), для аминокислот, кроме того, требуются азот и сера. К тому же в состав органических соединений при фотосинтезе могут включаться фосфор и ионы металлов – железа и магния. У наземных растений все эти неорганические соединения, за исключением СО2, поступают через корни. СО2 растения получают из атмосферного воздуха, в котором средняя его концентрация составляет 0,03%. Водные растения добывают все необходимые им питательные вещества из воды, в которой живут.
В простейшем случае реакция фотосинтеза имеет вид:
ферменты
СВЕТ+nСО2 + nН2О → (СН2О)n + nО2 – Q,
где Q – свободная энергия образования одного моля углевода.
Уравнение показывает, что в зеленом растении за счет энергии света из n молекул воды и n молекул диоксида углерода образуется одна молекула углевода и n молекул кислорода. При этом освобождается энергия Q. (Уравнения, описывающие образование других органических соединений, имеют не столь простой вид).
Рассмотрим процессы, происходящие при фотосинтезе. В настоящее время установлено, что фотосинтез протекает в две стадии: световую и темновую.
Световая стадия (анаболический процесс) – это процесс использования света для расщепления воды; при этом выделяется кислород, и образуются богатые энергией соединения.
Темновая стадия (катаболический процесс) включает группу ферментативных реакций, в которых используются высокоэнергетические продукты световой стадии для восстановления СО2 (темновую стадию называют также стадией синтеза).
Фотосинтез протекает не по всей ткани листа, а в особых внутриклеточных образованиях – хлоропластах, причем одни части молекулы хлорофилла связаны со слоем хлоропласта, представляющего собой белок, а другие со слоем жироподобного вещества – липоида. Оба слоя чередуются, разобщая продукты фотосинтеза.
Рисунок 9.1 – Реакционный центр.
реакционный центр
(Д+)
(А–)
h
Поглощение света (фотона с энергией h) происходит с помощью так называемой антенны, которая состоит из большого числа хлорофиллов (светособирающих пигментов) связанных с белками (рисунок 9.1).
Поглощение кванта света (hv) молекулой хлорофилла (Хл) приводит к ее возбуждению (Хл*) (переход электрона на более высокий энергетический уровень):
Хл + hv → Хл*.
Энергия возбужденной молекулы хлорофилла Хл* передается соседним пигментам, которые, в свою очередь, могут передать ее другим молекулам светособирающей антенны, направляя фотоны с энергией h в реакционный центр.
Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить молекуле хлорофилла для осуществления реакции фотосинтеза, называется энергией активации А.
Энергия возбуждающего фотона h должна быть не меньше энергии активации А, поэтому частота (или длина волны) светового излучения, вызывающая реакцию, должна удовлетворять условию
,
где с – скорость света;
h – постоянная Планка;
А – энергия активации.
У зеленых растений фотосинтез возбуждается излучением с длиной волны от 0,35 до 0,71 мкм.
В реакционном центре при переходе в возбуждённое состояние молекула хлорофилла приобретает свойство участвовать в окислительно-восстановительных реакциях: она то теряет электрон (окисляется), отдавая его веществу-акцептору (А), то отбирает его (восстанавливается) у вещества-донора (Д). В реакциях фотосинтеза у зелёных растений донором электрона и источником выделяемого кислорода (О2) служит вода (Н2О), а основным акцептором и источником углерода – углекислый газ (СО2). В результате окислительно-восстановительных реакций осуществляется быстрый «перенос» электрона и происходит разделение зарядов согласно реакции
восстановление
окисление
Д Хл* А → Д Хл + А–→ Д+ Хл А–.
Разделение зарядов в реакционном центре можно рассматривать подобно элементарной батарейке, в которой может быть запасена значительная часть энергии кванта света, поглощённого хлорофиллом. Молекула хлорофилла при этом, несмотря на участие в двух ступенях реакции, возвращается в исходное состояние готовности к новому циклу переноса электрона. Дальнейший перенос электрона по цепи фотосинтеза в конечном итоге приводит к образованию конечных продуктов световой стадии, которые вступят в ферментативные реакции темновой стадии для восстановления СО2 до органических веществ.
Ф
Фmax
I
Рисунок 9.2 – Зависимость интенсивности
фотосинтеза от интенсивности
падающего света
Таким образом, энергия света, которую фотосинтез преобразует в потенциальную энергию химической связи органических веществ и использует на выделение свободного кислорода, – это единственно важный первичный источник энергии для всего живого. Эта энергия надолго запасается в очень удобной для биологического использования форме – молекулярной, в виде углеводов, аминокислот, белков, жиров, которые в любой момент могут быть использованы растениями или съевшими их нефотосинтезирующими организмами. Живые клетки затем окисляют («сжигают») эти органические вещества с помощью кислорода, используя в различных процессах жизнедеятельности, таких, как дыхание. Тем самым цикл завершается.
Фотосинтез при различных условиях протекает с разной интенсивностью:
Описание установки и метода измерения
Схема установки (рисунок 9.3)включает в себя:
1 – столетник;
2 – непрозрачный пакет;
3 – игольчатые электроды из нержавеющей стали,
4 – цифровой вольтметр;
Рисунок 9.3 – Схема установки.
1
2
3
4
РV
5
5 – источник света.
Примечание – Так, как перегрев ведет к ослаблению и даже исчезновению фотосинтеза, то во избежание перегрева между лампой и растением желательно ставить водяной фильтр толщиной 7-8 см.
Метод регистрации протекания реакции фотосинтеза в данной работе основан на измерении разности биопотенциалов растения, которая регистрируются между участками с различной скоростью метаболизма внутри клеток. О протекании фотосинтеза свидетельствует изменение разности биопотенциалов между освещенной и затемнённой частями растения с течением времени. Так как интенсивность фотосинтеза до определенного уровня зависит от интенсивности падающего на него света, то при освещении одной части растения при одновременном затемнении другой, приведёт к увеличению измеряемой разности потенциалов, что фиксируется вольтметром в течение некоторого времени.
Порядок выполнения работы
Таблица 9.1 – Регистрация разности потенциалов
|
время t, мин |
||||||||
|
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
||
|
разность потенциалов U, В |
лампа включена |
|||||||
|
лампа выключена |
Контрольные вопросы
Список рекомендуемой литературы