Лабораторная работа № КСЕ-09 

ФОТОСИНТЕЗ КАК ПРИМЕР МЕТАБОЛИЗМА

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.

Теоретическое введение

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:

1) анаболизм (процессы созидания органических веществ);

2) катаболизм (процессы их разрушения).

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 Майер в 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+СВЕТ®ОРГАНИЧЕСКИЕ 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:

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.

Поглощение света (фотона с энергией hn) 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 hn в реакционный центр.

Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить молекуле хлорофилла для осуществления реакции фотосинтеза, называется энергией активации А.

Энергия возбуждающего фотона hn 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

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.

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:

1. Зависимость интенсивности фотосинтеза Ф от интенсивности падающего на него света I описывается кривой, представленной на рисунке 9.2: при увеличение интенсивности света происходит увеличение интенсивности фотосинтеза до определенного уровня Ф_max.

2. Оптимальная температура для фотосинтеза растений 25–28^оС, при более высоких температурах фотосинтез замедляется, а при 45^оС прекращается.

3. Обычное содержание углекислого газа в воздухе составляет 0,03%. Уменьшение содержания углекислоты в воздухе снижает интенсивность фотосинтеза, а повышение до 0,5% увеличивает интенсивность фотосинтеза почти пропорционально. Однако при дальнейшем повышении содержания углекислоты, интенсивность фотосинтеза не возрастает, а при 1% – растение страдает.

4. Интенсивность фотосинтеза также зависит от фазы развития растения, она максимальна в фазе цветения.

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;

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

1. На лист столетника надеть пакет из непрозрачной бумаги. Один игольчатый электрод вколоть в ту часть столетника, которая закрыта непрозрачным пакетом. Второй игольчатый электрод вколоть в какой-нибудь лист столетника, который освещается лампочкой.
2. Концы электродов присоединить к цифровому вольтметру и измерить разность потенциалов U₀ между этими точками, результаты измерения занести в таблицу 9.1.
3. Включить лампу и в течении 30 минут освещать лист. Во время освещения через каждые 5 минут проводить измерения разности потенциалов, результаты измерений занести в таблицу 9.1.

Таблица 9.1 – Регистрация разности потенциалов

1. Выключить лампу и снять пакет. Повторить измерение разности потенциалов через каждые 5 минут в течении 30 минут (или до исчезновения разности потенциалов), результаты измерений занести в таблицу 9.1.
2. По результатам опыта построить график зависимости разности потенциалов от времени и сделать вывод.

Контрольные вопросы

1. Дать определение метаболизма, охарактеризовать процессы, происходящие при метаболизме.

2. Дать определение, записать реакцию, назвать стадии фотосинтеза.

3. Объяснить механизм фотосинтеза.

4. Что называется энергией активации?

5. Перечислить факторы, оказывающие влияние на интенсивность фотосинтеза.

6. Объяснить значение фотосинтеза в природе.

Список рекомендуемой литературы

1. Концепции современного естествознания: Курс лекций для студентов гуманитарных специальностей. Часть 5. Химические системы, Гл. 13. Основы органической химии / БГИТА; Сост. К.Н. Евтюхов. – Брянск, 2008. – 41 с.

2. Климов, В.В. Фотосинтез и биосфера / В.В. Климов // Соросовский образовательный журнал. – 1996. – №8. – с. 6 – 13.

3. Тихонов, А.Н. Трансформация энергии в хлоропластах / А.Н. Тихонов // Соросовский образовательный журнал. – 1996. – №4. – с. 24 – 32.

4. Рубин, А.Б. Первичные процессы фотосинтеза / А.Б. Рубин // Соросовский образовательный журнал. – 1997. – №10. – с. 79 – 84.