Накопление клеток водой у растений

Что такое фотосинтез и почему он так важен для нашей планеты

Фотосинтез — один из самых важных биологических процессов на Земле. Благодаря фотосинтезу живые организмы получают кислород, необходимый для дыхания, а сами растения создают полезные органические вещества для своей жизнедеятельности. В этой статье мы поговорим о том, что обозначает фотосинтез, как он происходит и что образуется в процессе фотосинтеза.

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.

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.

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.

• 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.

Учите биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду BIO72021 вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 7 класса, в котором изучается тема фотосинтеза.

Что происходит в процессе фотосинтеза

Как уже было сказано ранее, в ходе фотосинтеза в хлоропластах под действием солнечного света образуются органические вещества.

Процесс фотосинтеза можно разделить на две фазы:

В ходе световой фазы фотосинтеза образуется энергия в виде АТФ и универсальный донор атома водорода — восстановитель НАДФН (НАДФ·Н2). Эти вещества необходимы для протекания темновой фазы. Также образуется побочный продукт — кислород. Световая фаза может проходить только на мембранах тилакоидов и на свету.

Благодаря сложному биохимическому процессу — циклу Кальвина — в темновую фазу фотосинтеза образуются органические вещества (сахара). Темновая фаза проходит в строме хлоропластов и на свету, и в темноте. Темновые ферментативные процессы протекают медленнее, чем световые, поэтому при очень ярком освещении скорость протекания фотосинтеза будет полностью определяться скоростью темновой фазы. Схемы процессов фотосинтеза представлены на рис.2. Подробное описание процессов смотри далее.

Световая фаза фотосинтеза

Чтобы лучше понять, что происходит во время фотосинтеза, разберём фазы фотосинтеза. Световая фаза фотосинтеза включает в себя фотохимические и фотофизические процессы, и может быть поделена на три этапа:

1. Фаза поглощения — энергия света улавливается при помощи светособирающих комплексов, переходит в энергию электронного возбуждения пигментов, передаётся в реакционный центр фотосистем I и II.
2. Фаза реакционных центров — энергия электронного возбуждения пигментов светособирающих комплексов используется для активации реакционных центров фотосистем. В реакционном центре электрон от возбуждённого хлорофилла передаётся другим компонентам электрон-транспортной цепи, пигмент после отдачи электрона переходит в окисленное состояние и становится способным, в свою очередь, отнимать электроны у других веществ. Именно в этом процессе происходит преобразование физической формы энергии в химическую.
3. Фаза электрон-транспортной цепи — электроны переносятся по цепи переносчиков, образуются АТФ, НАДФН, O2. Необходимо, чтобы каждый переносчик электрон-транспортной цепи поочерёдно восстанавливался и окислялся, обеспечивая таким образом перенос энергии электронов. Любой этап переноса электрона сопровождается высвобождением или поглощением энергии. Часть энергии теряется. На некоторых участках электрон-транспортной цепи перенос электрона сопряжён с переносом протона.

Для того чтобы понять, что происходит во время фазы фотосинтеза, рассмотрим эти процессы подробнее. Кванты света улавливаются светособирающими комплексами фотосистемы I — молекула хлорофилла в составе светособирающего комплекса переходит в возбуждённое состояние, и энергия передаётся в реакционный центр фотосистемы I. Происходит возбуждение молекул хлорофилла фотосистемы I, отщепляется электрон. Пройдя по цепочке внутренних компонентов фотосистемы I и внешних переносчиков, электрон в конце концов попадает к НАДФ+ — образуется восстановитель НАДФН. Получается, что хлорофилл фотосистемы I отдал электрон и приобрёл положительный заряд, и для дальнейшего функционирования необходимо восстановить нейтральность молекулы, получить электрон, чтобы закрыть «дырку». Этот электрон приходит от фотосистемы II.

На светособирающие комплексы фотосистемы II попадают кванты света — происходит возбуждение молекулы хлорофилла фотосистемы II, молекула хлорофилла отдаёт электрон и переходит в окисленное состояние. Нехватку электрона хлорофилл восполняет благодаря фотолизу воды, при этом образуется протоны H+, а также важный побочный продукт фотосинтеза — кислород. По цепи переносчиков электрон от хлорофилла фотосистемы II попадает к хлорофиллу реакционного центра фотосистемы I и восстанавливает его. Теперь этот хлорофилл может снова поглощать энергию кванта света и отдавать электрон в электрон-транспортную цепь.

Протоны, попадающие во внутритилакоидное пространство, используются для синтеза АТФ. С помощью фермента АТФ-синтазы за счёт градиента протонов образуется АТФ из АДФ и фосфата. Под градиентом понимают неравномерное распределение: во внутритилакоидном пространстве H+ больше, в строме — меньше. Поэтому частицы стремятся проникнуть в строму, переходят в неё через АТФ-синтазу, а в процессе пути сквозь белковый комплекс отдают ему часть энергии, которая и используется для синтеза АТФ.

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:

1. Фаза карбоксилирования (введение CO2 в цикл).
2. Фаза восстановления (используются АТФ и НАДФН, полученные в световую фазу).
3. 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.

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.

Заключение

Каждый год на нашей планете благодаря фотосинтезу производится около 200 миллиардов тонн кислорода, из которого образуется озоновый слой, защищающий от ультрафиолетовой радиации. Фотосинтез помогает поддерживать состав атмосферы и препятствует увеличению количества углекислого газа. Без растений и кислорода, который они выделяют в процессе фотосинтеза, жизнь на нашей планете была бы просто невозможна.

Источник

Накопление клеток водой у растений

• Наполнение вакуолей водой представляет собой уникальный механизм, обеспечивающий увеличение объема клеток за счет изменения давления

• Существует более одного типа вакуолей

До сих пор мы исключительно рассматривали процессы митоза и цитокинеза, происходящие в апикальной зоне клеточного деления. Что же происходит с клеткой после окончания деления? К числу наиболее очевидных изменений относится увеличение размера клетки, в котором основную роль играют вакуоли. В зоне деления находятся относительно небольшие клетки, содержащие максимум несколько маленьких вакуолей, причем в некоторых клетках они вообще отсутствуют.

После выхода клеток из зоны деления они вступают в зону растяжения. Там в результате поступления воды в центральные вакуоли клетки увеличиваются в размере. Этот процесс включает три скоординированных этапа:
1) набухание вакуоли, в результате чего генерируется усилие, необходимое для роста;
2) контролируемое разрыхление клеточной стенки, допускающее ее расширение;
3) формирование вектора силы набухания с тем, чтобы обеспечить увеличение клетки в определенном направлении.

В статьях на сайте, прежде чем рассматривать участие клеточной стенки в процессе увеличения размера клетки, мы коснемся роли вакуолей в этом процессе.

Способность вакуолей увеличивать величину клеток зависит от одной из наиболее существенных физических характеристик последних. Жизнедеятельность клеток зависит от наличия барьера, отделяющего их внутреннее содержимое от окружающей среды. Это дает им возможность обосабливать метаболические реакции таким образом, что они происходят в стабильных условиях, которые не нарушаются изменениями, происходящими в окружающей среде. Клетки растений и животных окружены мембранами, богатыми липидами.

При этом макромолекулы и заряженные молекулы через эти мембраны свободно не проходят и, таким образом, имеют возможность концентрироваться внутри клетки. Однако мембраны проницаемы для воды и небольших нейтральных молекул, которые проходят через них благодаря осмосу. Осмос представляет собой процесс, за счет которого через полупроницаемую, подобно клеточной, мембрану проходит вода. Это обеспечивается различием в концентрациях растворенных веществ по обе стороны мембраны.

При этом ток воды направляется от менее концентрированного к более концентрированному раствору. Захватывая из окружающей среды соли, а также продуцируя другие молекулы, клетки устанавливают осмотический дисбаланс между цитоплазмой и окружающей средой. При этом через мембраны возникает ток воды, необходимый для уравнивания давления. Из-за притока воды, необходимого для разбавления концентрированного раствора, клетка пребывает в состоянии постоянной опасности «погибнуть от наводнения» и, в конце концов, может лопнуть.

Клетки животных постоянно расходуют энергию для откачивания таких ионов, как натрий. Это снижает концентрацию растворенных веществ и противодействует поступлению в клетку воды. Клетки растений для решения этой же проблемы выработали совершенно другую стратегию и используют поток воды для управления своим ростом.

У растений поступившая в клетку вода запасается в вакуолях. Активно накапливая из окружающей среды минеральные соли, вакуоли способствуют дальнейшему притоку в клетку воды за счет осмоса, в результате чего сильно разбухают. После того как клетка прекращает деление и расширяется, большая центральная вакуоль может занимать до 95% ее объема, как это, например, показано на рисунке ниже. Поэтому вакуоль вполне можно считать самой крупной органеллой растительной клетки. Окруженная собственной мембраной (тонопластом), центральная увеличенная вакуоль сжимает цитоплазму до размеров тонкого слоя, примыкающего к плазматической мембране.

Поскольку вакуоли заполнены, главным образом, водой и минеральными солями, вакуолизация представляет собой экономичный энергосберегающий путь увеличения величины клетки.

Хотя вакуоли необходимы для увеличения размеров клеток, они не только просто занимают пространство, но также служат и другим целям. Часто они используются для сохранения небольших молекул, которые или понадобятся клетке позже, или нуждаются в постоянной изоляции от цитоплазмы. Некоторые токсические вещества, попадающие в клетку из окружающей среды, разрушаются или хранятся в вакуолях, которые тем самым выполняют детоксицирующую роль. Иногда растения сами продуцируют токсины в качестве средств защиты от микроорганизмов, и такие токсины запасаются в вакуолях. Некоторые пигменты, окрашивающие различные части растения, также откладываются в вакуолях.

Однако не все вещества, попадающие в вакуоли, могут находиться там в течение долгого времени. Вакуоли выполняют роль временных депо для таких необходимых метаболитов, как неорганические ионы и аминокислоты.

Существуют вакуоли, которые используются в качестве подобия реакторов, для осуществления метаболических процессов, которые не могут протекать в цитоплазме. Например, литические и пищеварительные вакуоли аналогичны лизосомам клеток животных и вакуолям дрожжей и превращают различные вещества в компоненты, которые усваиваются клеткой. В семенах, вакуоли, в которых хранятся и перевариваются метаболиты, вместе выполняют одну задачу. У них один тип вакуолей выполняет функции накопления и хранения белков, специфических для растений.

При созревании в такие вакуоли очень плотно упаковывается один или несколько типов специальных белков. Когда происходит прорастание семени, слияние вакуолей, хранящих белок, и вакуолей, осуществляющих его лизис, приводит к расщеплению белка и к высвобождению аминокислот, которые используются для синтеза белков на ранних стадиях роста растения.

На верхней фотографии представлена вытянутая клетка ткани корня или проростка растения.
В середине клетки, снизу, виден полукруг, представляющий собой ядро.
Ниже представлены изображения той же самой клетки, окрашенной флуоресцентными красителями,
показывающие область занятые цитоплазмой и ядром (красного цвета) и положение тонопласта (мембраны, окружающей вакуоли, зеленого цвета).
Большая неокрашенная область, занимающая большую часть клетки, представляет собой вакуоль.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

— Вернуться в содержание раздела «генетика» на нашем сайте

Источник