Запасание энергии света в биологических аккумуляторах кратко

Обновлено: 04.07.2024

Билет №6
1.Митоз как основа бесполого размножения, его фазы. Биологическая сущность митоза.
2. Характеристика типа хордовых. Место обитания и особенности строения. Роль в природе и практическое значение.
3. Раскройте особенности скелета человека в связи с прямохождением и трудовой деятельностью. Назовите меры профилактики нарушения осанки, искривления позвоночника и возникновения плоскостопия.

Билет №7
1.Мейоз и его биологическая сущность. Фазы мейоза. Сперматогенез. Овогенез
2. Общая характеристика типа моллюски. Среде обитания, особенности строения. Разнообразие моллюсков.
3. Раскройте роль витаминов в организме человека, способы сохранения витаминов в продуктах питания. Поясните, какие авитаминозы вам известны. С какой целью выпускают поливитаминные препараты?

Билет №8
1.Закономерности наследования признаков, выявленные Г.И.Менделем. Гибридологический метод исследования наследственности. Моногибридное скрещивание. Единообразие первого поколения.
2. Общая характеристика надкласса рыбы. Класс Хрящевые рыбы. Класс Костные рыбы. Размножение и развитие рыб. Особенности поведения. Миграции рыб.
3. Объясните биологическое значение безусловных и условных рефлексов. Составьте схему рефлекторной дуги (безусловного рефлекса) и объясните, из каких частей она состоит. Приведите примеры безусловных рефлексов человека.

Билет №9
1.Закон доминирования. Расщепление признаков у второго поколения. Закон расщепления. Гомозиготные и гетерозиготные особи.
2. Общая характеристика класса Земноводные. Многообразие земноводных. Значение земноводных в природе и в жизни человека. Охрана земноводных.
3. Раскройте особенности газообмена в легких и тканях, взаимосвязь дыхательной и кровеносной систем. В чем состоит доврачебная помощь при остановке дыхания?

Билет №10
1.Модификационная и наследственная изменчивость. Типы наследственной изменчивости. Генные, хромосомные, геномные мутации. Закон гомологических рядов наследственной изменчивости.
2. Общая характеристика класса Пресмыкающихся. Приспособления к жизни в разнообразной среде. Питание и поведение. Годовой цикл жизни. Размножение и развитие.
3. Используя знания об иммунитете, объясните, с какой целью человеку делают прививки и вводят сыворотки. Как можно повысить защитные свойства организма? Как защитить себя от ВИЧ-инфекции и заболевания СПИДом?

где Е - энергия электрона, которая запасается в АТФ. При расщеплении АТФ ферментом аденозинтрифосфатазой (АТФ-азой) концевой фосфат отщепляется и освобождается энергия:

В растительной клетке энергия АТФ используется для транспорта воды и солей, для деления клеток, роста и движения (вспомните, как поворачивается вслед за солнцем головка подсолнуха).

Однако при смешивании углекислого газа и воды глюкоза не образуется. Для этого нужна не только восстанавливающая сила НАДФ*Н, но и энергия АТФ и соединение, связывающее СО2, которое используется на промежуточных этапах синтеза глюкозы, а также ряд ферментов - биологических катализаторов этого процесса.

Фотосинтез — это процесс, благодаря которому существует большинство живых организмов на нашей планете.

Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа ( CO 2 ) и воды ( H 2 O ), протекающий с использованием солнечной энергии.

Фотосинтез происходит в хлоропластах у растений или на мезосомах у прокариот. На цитоплазматической мембране у этих организмов содержатся молекулы зелёного пигмента — хлорофилла .

Молекулы хлорофилла способны улавливать кванты света и переходить в возбуждённое состояние. От них отрываются электроны, которые подхватываются молекулами переносчика НАДФ + (никотинамидадениндинуклеотидфосфата). При этом энергия электронов частично расходуется на образование АТФ.

Световая фаза — процесс преобразования поглощённой хлорофиллом энергии света в электрическую энергию электрон-транспортной цепи. Она протекает на мембранах тилакоидов с участием фермента АТФ-синтетазы и мембранных белков-переносчиков.

У растений в световой фазе фотосинтеза происходят два процесса: фотолиз воды и синтез АТФ (нециклическое фосфорилирование).

переход электронов хлорофилла под действием квантов света в возбуждённое состояние;
восстановление окисленной формы молекул-переносчиков НАДФ + до НАДФ ·Н₂ ;
разложение воды (фотолиз):

фотолиз воды и выделение молекулярного кислорода;
образование АТФ;
образование НАДФ-восстановленного.

В световой фазе фотосинтеза энергия аккумулируется в НАДФ ·Н₂ и АТФ, которые используются для синтеза веществ в темновой фазе.

Процесс образования АТФ из АДФ за счёт световой энергии отличается высокой эффективностью: за единицу времени в хлоропластах синтезируется в \(30\) раз больше АТФ, чем в кислородном этапе энергетического обмена в митохондриях.

Темновая фаза — процесс преобразования CO 2 в глюкозу с использованием энергии, запасённой в молекулах АТФ и НАДФ ·Н_2.

Реакции темновой фазы происходят в строме хлоропластов, где находятся образовавшиеся в световой фазе молекулы НАДФ ·Н₂ и АТФ.

Процесс образования глюкозы из углекислого газа, протекающий в темновой фазе фотосинтеза, имеет название цикла Кальвина.

В результате реакций темновой фазы из углекислого газа образуется глюкоза, которая затем превращается крахмал.

Кроме глюкозы в хлоропластах синтезируются также другие органические вещества: аминокислоты, нуклеотиды и т. д.

4. В верхних слоях воздушной оболочки Земли из кислорода образуется озон O 3 , из которого формируется защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от опасного для жизни воздействия ультрафиолетового излучения.

Фотосинтез — понять природу и сделать лучше, чем она

На Земле работают природные химические фабрики, в колоссальных количествах производящие химические вещества за счет энергии света — фотосинтезирующие организмы. Растения и фитопланктон поглощают 300 млрд тонн углекислого газа ежегодно, выделяя при этом 200 млрд тонн кислорода.

Фото: Роман Яровицын, Коммерсантъ / купить фото

И это лишь оксигенирующие организмы — те, что в ходе эволюции научились окислять воду, выделяя из нее кислород. Более эволюционно ранние организмы такие превращения осуществлять не могут и живут за счет окисления других веществ, например сероводорода или соединений железа. Строение фотосинтезирующих организмов и условия их обитания очень разнообразны, но принципы, на основе которых они используют свет для синтеза химических веществ, во многом похожи. Изучение этих принципов позволяет лучше понять то, как устроена живая природа, а их воплощение на практике — создать искусственные преобразователи световой энергии.

Фотосистемы — сложноорганизованные структуры, находящиеся в клеточных (у некоторых бактерий) или внутриклеточных (у растений) мембранах. Они очень малы — всего несколько нанометров? но по химическим меркам они огромны и состоят из сотен тысяч атомов. Функционально фотосистемы состоят из двух типов частей — фотоантенн и реакционного центра. Задача фотоантенн — уловить квант света и передать его энергию в виде порции электронного возбуждения (так называемого экситона) реакционному центру. Попавший в реакционный центр экситон вызывает перенос электрона из одной его части в другую, что приводит к возникновению электрического потенциала по разные стороны мембраны, в котором находится фотосистема. Этот потенциал и является той движущей силой, которая вызывает химические превращения.

Поскольку даже в яркий солнечный день фотоны попадают на фотосистему не так уж часто, фотоантенны составляют ее большую часть. Каждая из них содержит десятки, а иногда и сотни молекул пигментов — зеленых хлорофиллов и желто-оранжево-красных каротиноидов, удерживаемых друг относительно друга в определенном положении белком. На один реакционный центр приходится несколько фотоантенн, и их количество может меняться — так фотосинтезирующие организмы приспосабливаются к разным условиям освещенности. Несмотря на внушительные размеры фотосистем, экситон, возникший после поглощения света в любой из фотоантенн, с вероятностью более 90% дойдет до реакционного центра, и притом за очень короткое время — за 10 –12 –10 –10 секунд. Как ему это удается, учитывая, что состояние электронного возбуждения очень нестабильно и склонно к быстрой релаксации, то есть полному рассеиванию своей энергии?

Оказывается, белок в фотосистемах выполняет не только структурную роль. За счет специфических взаимодействий белок меняет энергию возбуждения хлорофиллов таким образом, что она немного понижается по мере приближения к реакционному центру. Благодаря этому движение экситона в фотосистеме больше похоже на течение реки, чем на случайные блуждания: он все время перемещается в сторону молекул с меньшей энергией возбуждения и рано или поздно приходит к той ее части, где эта энергия наименьшая,— реакционному центру. При этом на каждом шаге часть энергии экситона рассеивается в белке. Такой механизм обеспечивает направленность переноса и его высокую скорость. Однако у этого механизма есть цена: энергия, дошедшая до реакционного центра меньше, чем та, которой изначально обладал поглощенный фотон. Белок также выполняет и защитную функцию, служа своего рода термостатом: в том случае, если экситон все-таки не дошел реакционного центра, его энергия рассеивается по белковой молекуле, что предотвращает повреждение пигментов фотосистемы.

Из-за больших размеров фотосистемы непросто выделять и изучать на практике. Впервые трехмерная структура компонентов фотосистем с атомным разрешением была установлена лишь в 1990-х годах, и примерно в это же время появилась техническая возможность изучения динамики экситона в них спектроскопическими методами. В этой ситуации полезную информацию дают теоретические методы исследования.

На химическом факультете МГУ ведутся работы по моделированию работы природных фотосистем и разработке их искусственных аналогов. Для описания работы таких объектов и предсказания их эффективности необходим учет множества факторов, включая взаимное расположение пигментов и энергию их электростатического взаимодействия, свойства среды, в которой они находятся, температуру и многих других. Также разными могут быть и желаемые параметры функционирования: для аккумулирования энергии необходимы ее малые потери в среде при переносе экситона, а если последний служит переносчиком сигнала, то важнее становятся скорость переноса и малая вероятность релаксации.

Распределение заряда в молекуле хлорофилла b

Описание фотосистем и процессов, составляющих световую фазу фотосинтеза, возможно только на основе квантовой механики. Одно из ключевых отличий квантовой механики от классической, с проявлениями которой мы сталкиваемся в быту, является то, что у квантовой системы возможны не любые энергетические состояния, а только определенные, или, как говорят, дискретные. Соответственно, и переходы между этими состояниями также сопровождаются испусканием или поглощением строго определенного количества энергии. Это справедливо и для пигментов (благодаря чему каждый из них имеет определенный цвет), и для белка, колебательные состояния которого также квантуются. Квантовомеханический анализ работы фотосистем показывает, что структура белка в них тонко подстроена под остальные компоненты. Каждый переход экситона от пигмента к пигменту сопровождается рассеянием небольшого количества энергии, которая в точности достаточна для перевода близлежащих атомов белка на один колебательный уровень выше. За счет этого достигается высокая скорость переноса экситона. Этот механизм был выработан фотосинтезирующими организмами в ходе эволюции. Подобная структурная сложность среды, в которую погружены пигменты, пока недостижима для искусственных фотосистем, поэтому они уступают по характеристикам своим природным прототипам.

Читайте также: