Структура хлоропластов и фотосинтез

 
 

     Университет Российской Академии Образования 

     Факультет психологии 
 
 
 
 
 

     Реферат по биологии на тему:

     «Структура хлоропластов и фотосинтез» 
 
 
 

                           
 
 

      

     Работу выполнила студентка первого курса

     Денисова М.К.

     Работу проверила

     Полякова И.А. 
 
 
 

                                                                     

        
 
 
 
 
 
 
 

     Оглавление. 
 

1. хлоропласт
2. химический состав хлоропласта
3. строение хлоропласта
4. структура хлоропласта
5. фотосинтез
6. значение фотосинтеза
7. роль хлоропластов в фотосинтезе
8. световая фаза фотосинтеза
9. темновая фаза фотосинтеза

           

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

В клетках большинства растений имеются пластиды — небольшие тельца, в которых происходит синтез или накопление органических веществ. Наиболее важные пластиды — хлоропласты — содержат зеленый пигмент хлорофилл, который придает растению зеленую окраску и играет важнейшую роль в фотосинтезе, улавливая энергию солнечного света. Типичные хлоропласты — это дисковидные образования диаметром около 5 мкм и толщиной 1 мкм. При изучении в электронном микроскопе видно, что хлоропласты построены из мембран, плотно уложенных параллельно друг другу. Каждая клетка содержит от 20 до 100 хлоропластов, которые могут расти и делиться, образуя новые, дочерние хлоропласты. Внутри каждого хлоропласта находится множество мелких телец, называемых гранами; эти тельца содержат хлорофилл. 
   Хлоропласт — это не просто мешочек, наполненный хлорофиллом. Сама способность этого пигмента, улавливать энергией света зависит от его упаковки в гранах. Слой молекул хлорофилла и слой фосфолипидных молекул лежат здесь между слоями белка. Благодаря этому молекулы хлорофилла распределены по большой площади; кроме того, слоистая структура, возможно, облегчает перенос энергии с одной молекулы на другую — соседнюю с ней — во время фотосинтеза. Материал, в который погружены граны, называется стромой. Многочисленные граны одного хлоропласта соединены между собой листками мембран, проходящий через строму.   Другой тип пластид — это бесцветные лейкопласты, которые служат центрами накопления крахмала и других веществ. Пластиды третьего типа — хромопласты — содержат различные пигменты, обусловливающие окраску цветков и плодов. 
 

     Химический  состав хлоропластов достаточно сложен и характеризуется высоким (75 %) содержанием воды. Около 75—80 % общего количества сухих веществ приходится на долю различных органических соединений, 20—25 % — на долю минеральных веществ. Структурной основой хлоропластов являются белки, содержание которых достигает 50—55 % сухой массы, примерно половина из них водорастворимые. Такое высокое содержание белков объясняется их многообразными функциями в составе хлоропластов. Это структурные белки, являющиеся основой мембран, белки-ферменты, транспортные белки, поддерживающие определенный ионный состав, отличающийся от цитозоля, сократительные белки, подобные актомиозину мышц, которые обеспечивают двигательную активность хлоропластов. Белки выполняют также рецепторную функцию, принимая участие в регуляции интенсивности фотосинтеза в меняющихся условиях внутренней и внешней среды.

     Важнейшей составной частью хлоропластов являются липиды, содержание которых колеблется от 30 до 40 % сухой массы. Липиды хлоропластов представлены тремя группами соединений.

     Углеводы  не являются конституционными веществами хлоропласта. В очень небольших количествах фосфорные эфиры сахаров участвуют в восстановительном цикле углерода, в основном же это продукты фотосинтеза. Поэтому содержание углеводов в хлоропластах колеблется значительно (от 5 до 50 %). В активно функционирующих хлоропластах углеводы обычно не накапливаются, происходит их быстрый отток. При уменьшении потребности в продуктах фотосинтеза в хлоропластах образуются крупные крахмальные зерна. В этом случае содержание крахмала может возрасти до 50 % сухой массы и активность хлоропластов снизится.

     В хлоропластах высокое содержание минеральных  веществ. Сами хлоропласты составляют 25—30 % массы листа, но в них сосредоточено  до 80 % железа, 70—72 % — магния и цинка, около 50 % — меди, 60 % кальция, содержащихся в тканях листа. Эти данные хорошо согласуются с высокой и разнообразной ферментативной активностью хлоропластов. Минеральные элементы выступают в роли простетических групп и кофакторов деятельности ферментов. Магний входит в состав хлорофилла. Важная роль кальция заключается в стабилизации мембранных структур хлоропластов. 
 

     Строение  хлоропласта, наблюдаемое с помощью электронного микроскопа, весьма сложное. Подобно ядру и митохондриям хлоропласт окружен оболочкой, состоящей из двух липопротеидных мембран. Внутреннюю среду представляет относительно однородная субстанция — матрикс, или строма, которую пронизывают мембраны — ламеллы. Ламеллы, соединенные друг с другом, образуют пузырьки — тилакоиды. Плотно прилегая друг к другу, тилакоиды образуют граны, которые различают даже под световым микроскопом. В свою очередь, граны в одном или нескольких местах объединены друг с другом с помощью межгранных тяжей — тилакоидов стромы. Пигменты хлоропласта, участвующие в улавливании световой энергии, а также ферменты, необходимые для световой фазы фотосинтеза, вмонтированы в мембраны тилакоидов.

     Строение  зрелых хлоропластов одинаково у  всех высших растений, как и в  клетках разных органов одного растения (листьях, зеленеющих корнях, коре, плодах). В зависимости от функциональной нагрузки клеток, физиологического состояния хлоропластов, их возраста различают степень их внутренней структурированности: размеры, количество гран, связь между ними. Так, в замыкающих клетках устьиц основная функция хлоропластов — фоторегуляция устьичных движений. Этот процесс обеспечивается энергией высокоструктурированными митохондриями. Хлоропласты содержат крупные крахмальные зерна, набухшие тилакоиды, липофильные глобулы, что свидетельствует об их низкой энергетической нагрузке.

     С возрастом строение хлоропластов существенно  меняется. Молодые хлоропласты характеризуются ламеллярной структурой, в таком состоянии хлоропласты способны размножаться делением. В зрелых хлоропластах хорошо выражена система гран. В стареющих хлоропластах происходит разрыв тилакоидов стромы, связь между гранами уменьшается, в дальнейшем наблюдаются распад хлорофилла и деструкция гран. В осенней листве деградация хлоропластов приводит к образованию хромопластов, в которых каротиноиды сосредоточены в пластоглобулах. 
 
 

Структура хлоропластов состоит из следующих главных компонентов: двойная липопротендиая мембрана толщиной 20,0 нм, которая покрывает хлоропласт и отделяет его от цитоплазмы; белковая строма, в которую погружены структурные элементы хлоропласта, и граны, представляющие собой плотно упакованную систему мембран. Строма — это растворимая фаза хлоропласта сложного состава. В ней находятся все ферменты углеводного обмена, различные синтетические системы, и в том числе система синтеза белка. Строма является гетерогенной системой, в ней обнаружены мелкогранулярные образования и фибриллы белковой или нуклеоиротеидной природы диаметром около 8,5 нм, а также рибосомоподобные элементы диаметром 20,0 нм, состоящие из белка и РНК. В строме находятся также крахмальные зерна, липидные включения и пр. 

     Внутреннее  пространство хлоропластов заполнено  системой мембран. Фотосинтетические  мембраны соединяются между собой  и образуют диски различных типов  — большие и малые. Диски большого диаметра расположены вдоль длинной  оси хлоропласта. Это диски или  тилакоиды (тилакоидес — «мешковидный») стромы пронизывают весь внутренний объем хлоропласта и соединяют между собой отдельные граны. Граны имеют вид плотно упакованных пачек дисков меньшего диаметра (0,5—0,6 нм), которые называют тилаклоиды гран. В гране содержится от 5 до 30 тилакоидов. Отдельные граны соединяются между собой трубчатыми элементами, образующими внутри хлоропласта разветвленную систему каналов. Внутреннее строение хлоропласта сильно отличается в зависимости от того, идет ли речь о хлоропласте водорослей или высших растений. У зеленых водорослей, например, хлоропласты не содержат гран. 
 

     Пигмент хлоропластов поглощает свет для  осуществления фотосинтеза. Фотосинтез - процесс преобразования энергии  света в химическую энергию органических веществ, прежде всего углеводов, которые синтезируются в хлоропластах из веществ, бедных энергией - СО2 и Н2О. 
 

Хлоропласты, как полагают, тоже произошли от самостоятельных организмов, только гораздо позднее, чем митохондрии. Общепризнанная теория гласит, что  хлоропласты первоначально были фотосинтезирующими цианобактериями (сине-зелеными «водорослями»), которых поглотили ядерные клетки эукариот, содержащие митохондрии. Как и митохондрии до них, цианобактерии вступили в симбиотические отношения с поглотившими их клетками и постепенно превратились в то, что мы видим сегодня: несущие хлорофилл, использующие фотосинтез энергетические фабрики царства растений  
 

                                        фотосинтез 

     Фотосинтез (от греч. φωτο- — свет и σύνθεσις — синтез, совмещение, помещение вместе) — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества. 

 Значение фотосинтеза 

     Фотосинтез  является основным источником биологической  энергии, фотосинтезирующие автотрофы  используют её для синтеза органических веществ из неорганических, гетеротрофы  существуют за счёт энергии, запасённой автотрофами в виде химических связей, высвобождая её в процессах дыхания и брожения. Энергия, получаемая человечеством при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф), также является запасённой в процессе фотосинтеза.

     Фотосинтез  является главным входом неорганического  углерода в биологический цикл. Весь свободный кислород атмосферы — биогенного происхождения и является побочным продуктом фотосинтеза. Формирование окислительной атмосферы (кислородная катастрофа) полностью изменило состояние земной поверхности, сделало возможным появление дыхания, а в дальнейшем, после образования озонового слоя, позволило жизни выйти на сушу. 
 
 
 
 

Роль хлоропластов в фотосинтезе 

     В клетках растений имеются микроскопические образования — хлоропласты. Это  органоиды, в которых происходит поглощение энергии и света и превращение ее в энергию АТФ и иных молекул — носителей энергии. В гранах хлоропластов содержится хлорофилл — сложное органическое вещество. Хлорофилл улавливает энергию света для использования ее в процессах биосинтеза глюкозы и других органических веществ. Ферменты, необходимые для синтеза глюкозы, расположены также в хлоропластах. 

Световая  фаза фотосинтеза 

     Квант красного света, поглощенный хлорофиллом, переводит электрон в возбужденное состояние. Возбужденный светом электрон приобретает большой запас энергии, вследствие чего перемещается на более высокий энергетический уровень. Возбужденный светом электрон можно сравнить с камнем, поднятым на высоту, который также приобретает потенциальную энергию. Он теряет ее, падая с высоты. Возбужденный электрон, как по ступеням, перемещается по цепи сложных органических соединений, встроенных в хлоропласт. Перемещаясь с одной ступени на другую, электрон теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ. Растративший энергию электрон возвращается к хлорофиллу. Новая порция световой энергии вновь возбуждает электрон хлорофилла. Он снова проходит по тому же пути, расходуя энергию на образования молекул АТФ.

     Ионы  водорода и электроны, необходимые  для восстановления молекул-носителей  энергии, образуются при расщеплении молекул воды. Расщепление молекул воды в хлоропластах осуществляется специальным белком под воздействием света. Называется этот процесс фотолизом воды.

     Таким образом, энергия солнечного света  непосредственно используется растительной клеткой для:

     1. возбуждения электронов хлорофилла, энергия которых далее расходуется  на образование АТФ и других  молекул-носителей энергии;

     2. фотолиза воды, поставляющего ионы  водорода и электроны в световую  фазу фотосинтеза.

     При этом выделяется кислород как побочный продукт реакций фотолиза. Этап, в течение которого за счет энергии света образуются богатые энергией соединения — АТФ и молекулы-носители энергии, называют световой фазой фотосинтеза. 
 

Темновая  фаза фотосинтеза 

     В хлоропластах есть пятиуглеродные сахара, один из которых рибулозодифосфат, является акцептором углекислого газа. Особый фермент связывает пятиуглеродный сахар с углекислым газом воздуха. При этом образуется соединения, которые за счет энергии АТФ и иных молекул-носителей энергии восстанавливаются до шестиуглеродной молекулы глюкозы. Таким образом, энергия света, преобразованная в течение световой фазы в энергию АТФ и иных молекул-носителей энергии, используется для синтеза глюкозы. Эти процессы могут идти в темноте.