Лекции по "Химии"

1. Фотосинтез и хемосинтез: общая характеристика. Химизм фотосинтеза.

Фотосинтез — это процесс образования сложных органических соединений из простейших неорганических соединений за счёт энергии солнечного света и при участии хлорофилла.

Животный мир не способен к первичному синтезу органических соединений. Животные организмы могут использовать лишь одни органические соединения для синтеза других органических соединений.

Суммарное уравнение фотосинтеза

[pic 1]

Это уравнение показывает какие вещества вовлекаются в процесс и конечные продукты процесса. Но сути, т.е. химизма, процесса оно не отражает.

Значение фотосинтеза

1. Главный источник органических соединений в природе (150 млрд т. сухой биомассы в год образуется в процессе фотосинтеза).

1. Единственный источник кислорода на Земле (≈ 200 млрд т. в год).

1. Источник потенциальной энергии.
2. Поддержание постоянства состава атмосферы.
3. Исключает возможный перегрев Земли за счёт парникового эффекта.
4. Защищает обитателей Земли от жёсткого УФ-излучения за счёт формирования озонового слоя.

Химизм фотосинтеза

Видимый продукт фотосинтеза — это крахмал. Он легко обнаруживается по йодной пробе.

Крахмал — это полимер глюкозы, который мы пишем в суммарном уравнении.

На образование 1 моля глюкозы расходуется 686 ккал солнечной энергии.

Тимирязев назвал сахара консервами солнечной энергии.

Солнечная энергия как бы консервируется в продуктах фотосинтеза и в определённых условиях эта энергия может высвобождаться (а именно в процессах диссимиляции: брожение, дыхание).

Химизм фотосинтеза состоит из двух фаз:

• световой
• темновой

Хлорофил

Не все части растений способны к фотосинтезу, а только зелёные части, содержащие пигмент хлорофилл. Его структура напоминает структуру гема, только роль центрального атома играет магний:

[pic 2]

 Структура хлорофилла содержит слабоудерживаемые электроны. При попадании на хлорофилл квантов света электроны переходят в возбуждённое состояние и покидают молекулу хлорофилла.

Световая фаза

На световой фазе протекает 3 процесса:

1. Фотолиз воды.

Вода под действием света распадается на протоны, электроны и кислород. Протоны идут на восстановление кофермента дегидрогеназы, электроны заполняют электронную дырку в молекуле хлорофилла, а кислород уходит в атмосферу.  

1. Восстановление кофермента дегидрогеназы.

Происходит за счёт протонов, поступающих от фотолиза воды и электронов, поступающих от молекулы хлорофилла.

3. Синтез АТФ.

Часть солнечной энергии непосредственно запасается в связях АТФ. Эту энергию передают возбуждённые электроны, покинувшие хлорофилл.

Реакции световой фазы:

 [pic 3]

Таким образом на световой стадии образуется 3 продукта: О2, НАДФ·Н2, АТФ.

Кислород является побочным продуктом фотосинтеза, в дальнейших реакциях не участвует, он выделяется в атмосферу и им дышит всё живое на Земле (кроме анаэробных организмов).

НАДФ·Н2 и АТФ поступают в темновую фазу.

Темновая Фаза

Темновая фаза представляет собой ассимиляцию СО2 и его преобразование в органический углерод.

Темновая фаза была расшифрована М. Кальвином. Он проводил опыты с водорослями, помещая их в атмосферу СО2 меченного по углероду 14СО2.

Когда длительность освещённости составляла 60 сек или больше, то 14С обнаруживался во многих соединениях: сахарах, аминокислотах, органических кислотах, белках, жирах.

Когда время экспозиции сократилось до 5 сек, то 14С обнаружился в одном-единственном соединении — 3-фосфоглицериновой кислоте (3-ФГК).