что представляет собой процесс фотолиза
Фотолиз воды при фотосинтезе и его химические основы
Фотолиз воды при фотосинтезе
Что такое фотолиз воды?
Фотолиз воды — это процесс распада молекулы воды, которая происходит в световой фазе фотосинтеза.
Фотосинтез представляет собой процесс синтеза органических веществ из неорганических при помощи энергии солнечного света.
Первым, кто изучал физиологические основы фотосинтеза, был Дж. Пристли — ученый делал это в 18 веке. А именно, его заинтересовала порча воздуха внутри герметичного сосуда с горящей свечой. В таких обстоятельствах воздух не мог поддерживать процесс горения, а животные, которые в нем находились, погибали. Но растения, как оказалось, могли исправить эту ситуацию.
Ученый выяснил, что растения — важный источник кислорода, который поддерживает такие процессы как дыхание и горение.
Фототрофы являются организмами, обладающими способностью осуществлять фотосинтез.
Есть еще хемотрофы: они тоже образуют органическое вещество. Но в отличие от фототрофов, в качестве источника энергии для этого процесса выступает не кислород, а химические связи.
Почти все растения — автотрофы: их клетки содержат различные фотосинтетические пигменты.
Химические основы фотолиза воды
Пигменты фотосинтеза
Существует 2 группы фотосинтетических пигментов:
Пигменты отвечают за поглощение солнечного света и преобразование солнечной энергии в химическую. Локализация пигментов — мембраны хлоропластов.
Внутри хлоропластов на мембраных тилакоидов находится хлорофилл. За счет этого пигмента растение и имеет зеленый цвет. Хлорофилл по своему химическому строению близок к гемоглобину крови. В его основе — порфириновое кольцо с магнием в центре. Хлорофиллу свойственно поглощение солнечного света с одновременным переходом в возбужденное состояние.
Именно хлорофилл — единственный пигмент, играющий главную роль в процессе фотосинтеза.
Фазы фотосинтеза кратко
Фотосинтез состоит из 2 фаз:
Если говорить кратко о световой фазе фотосинтеза, то в ее основе — содержание в хлоропластах огромного числа молекул хлорофилла. Интересно, что сам процесс осуществляется в 1% молекулы хлорофилла. С помощью прочих молекул происходит образование антенных светособирающих комплексов: они отвечают за поглощение квантов света и передачу возбуждения в реакционные центры.
Такого рода центры есть в фотосистеме I и фотосистеме II. В этих системах есть особые молекулы хлорофилла: в первом случае — P700, а во втором — Р680. Такое обозначение связано, в первую очередь, с поглощением света соответствующей длины: 700 и 680 нм.
Молекулы хлорофилла в обеих системах поглощают кванты света. При этом в каждой фотосистеме один электрон осуществляет переход на более высокий энергетический уровень.
Все электроны в возбужденном состоянии отличаются высокой степенью энергии. Происходит их отрыв и трансляция в особенную сеть переносчиков на мембраны тилакоидов. Молекулы НАДФ+ при этом превращаются в восстановленный НАДФ.
В основе процесса — преобразование энергии света в энергию восстановленного переносчика. Происходит образование пространства с положительным зарядом — на месте молекул хлорофилла.
У обеих фотосистем есть свои задачи:
Фотолиз — это процесс распада молекулы воды, происходящий в результате воздействия солнечного света.
Этот процесс сопровождается выбросом в атмосферу большого количества кислорода, который в дальнейшем в ней рассеивается.
В ходе фотолиза образуются протоны водорода — они переносятся в полость тилакоида и, накапливаясь, образуют избыток ионов водорода. Это приводит к созданию на мембране тилакоида крутого градиента концентрации накопленных ионов. Также избыток ионов водорода используется АТФ-синтетазой для синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Ионы водорода переносятся сквозь мембрану — процесс сопровождается образованием НАДФ*Н.
Можно сделать вывод, что запасание энергии света происходит в световой фазе в виде восстановленного переносчика НАДФ*Н и макроэргического соединения АТФ.
С помощью световой фазы удается:
Если говорить об обязательных компонентах темновой фазы, то ими являются АТФ и НАДФ*Н (из световой фазы), углекислый газ, взятый из атмосферы, вода.
Из всего написанного выше следует, что фотолиз воды — это реакция, поставляющая компоненты для темновой фазы, которая происходит в строме хлоропласта. Фотолиз воды — источник кислорода, быстро поступающего в атмосферу.
В темновой фазе участвуют АТФ и НАДФ, а также происходит восстановление глюкозы. Этот процесс не нуждается в свете, хотя он принимает участие в регуляции этапов. Растение поглощает углекислый газ из атмосферы: устьица покровной ткани открываются и газ получает доступ внутрь листа. Растворение кислорода в воде и восстановление до глюкозы происходит при участии НАДФ и АТФ.
При образовании избытка глюкозы образуется и откладывается запасное питательное вещество — крахмал. В виде этого сложного углевода происходит накапливание энергии. Совсем немного этих молекул остается в листе и используется для его нужд. Все остальные углеводы распространяются по растению по проводящей ткани растения или ситовидным трубкам.
Фотосинтез — основной источник кислорода на нашей планете. При фотосинтезе кислород образуется в результате реакции фотолиза воды — его хватает для обеспечения жизнедеятельности всего живого. До появления фотосинтетических организмов этого газа на Земле не было.
Что такое фотолиз?
фотолиз Это химический процесс, благодаря которому поглощение света (лучистой энергии) позволяет разбить молекулу на более мелкие компоненты. То есть свет обеспечивает энергию, необходимую для разрушения молекулы в ее составных частях. Это также известно под названиями фотодеструкции или фотодиссоциации.
Например, фотолиз воды имеет основополагающее значение для существования сложных форм жизни на планете. Это осуществляется растениями с использованием солнечного света. Распад молекул воды (H2O) приводит к молекулярному кислороду (O2): водород используется для накопления восстановительной мощности.
В общих чертах можно сказать, что фотолитические реакции включают поглощение фотона. Это исходит от лучистой энергии разных длин волн, и, следовательно, с разным количеством энергии.
Как только фотон поглощен, могут произойти две вещи. В одном из них молекула поглощает энергию, становится возбужденной, а затем расслабляется. С другой стороны, эта энергия позволяет разрушить химическую связь. Это фотолиз.
Этот процесс может быть связан с формированием других связей. Разница между поглощением, которое генерирует изменения, к тому, который не называется квантовым выходом.
Это характерно для каждого фотона, потому что это зависит от источника излучения энергии. Квантовый выход определяется как количество молекул реагента, модифицированных на поглощенный фотон..
Фотолиз в живых существах
Для осуществления этого процесса фотосинтезирующие организмы прибегают к так называемым реакциям света фотосинтеза. И для достижения этого они используют, очевидно, биологические молекулы, наиболее важной из которых является хлорофилл P680..
В так называемой реакции Хилла несколько цепей переноса электронов позволяют молекулярному кислороду, энергии в форме АТФ и уменьшать мощность в форме НАДФН получать в результате фотолиза воды..
Последние два продукта этой светящейся фазы будут использоваться в темной фазе фотосинтеза (или цикла Кальвина) для ассимиляции СО2 и производить углеводы (сахара).
Фотосистемы I и II
Эти конвейерные цепи называются фотосистемами (I и II), а их компоненты находятся в хлоропластах. Каждый из них использует разные пигменты и поглощает свет разных длин волн.
Однако центральным элементом всего конгломерата является центр сбора света, образованный двумя типами хлорофилла (a и b), различными каротиноидами и белком 26 кДа..
Захваченные фотоны затем переносятся в реакционные центры, в которых происходят уже упомянутые реакции.
Молекулярный водород
Другой способ, которым живые существа использовали фотолиз воды, включает в себя образование молекулярного водорода (H2). Хотя живые существа могут производить молекулярный водород другими путями (например, под действием бактериального фермента formiatohidrogenoliasa), производство из воды является одним из наиболее экономичных и эффективных.
Это процесс, который появляется как дополнительная стадия позже или не зависит от гидролиза воды. В этом случае организмы, способные проводить реакции света, способны делать что-то дополнительное..
Использование Н + (протоны) и е- (электроны), полученные в результате фотолиза воды с образованием Н2 это было сообщено только у цианобактерий и зеленых водорослей. В косвенной форме, производство H2 после фотолиза воды и генерации углеводов.
Это осуществляется обоими типами организмов. Другая форма, прямой фотолиз, еще более интересна и осуществляется только микроводорослями. Это включает в себя направление электронов, полученных в результате легкого разрыва воды, из фотосистемы II непосредственно в фермент, продуцирующий H.2 (Гидрогеназа).
Этот фермент, однако, очень чувствителен к присутствию O2. Биологическое производство молекулярного водорода путем фотолиза воды является областью активных исследований. Он направлен на обеспечение дешевой и чистой альтернативы производства энергии.
Небиологический фотолиз
Разложение озона под воздействием ультрафиолета
Одним из наиболее изученных небиологических и спонтанных фотолизов является разрушение озона ультрафиолетовым (УФ) светом. Озон, азотропный кислород, состоит из трех атомов элемента.
Озон присутствует в разных областях атмосферы, но накапливается в одной, называемой озоносферой. Эта зона высокой концентрации озона защищает все формы жизни от вредного воздействия ультрафиолета..
Хотя ультрафиолетовый свет играет важную роль как в образовании, так и в разрушении озона, он представляет собой один из наиболее ярких случаев разрушения молекул под действием лучистой энергии..
С одной стороны, это указывает на то, что не только видимый свет способен давать активные фотоны для деградации. Кроме того, в сочетании с биологической активностью генерации жизненно важной молекулы, способствует существованию и регуляции кислородного цикла.
Другие процессы
Фотодиссоциация также является основным источником разрыва молекул в межзвездном пространстве. Другие процессы фотолиза, на этот раз управляемые человеком, имеют промышленное, фундаментальное научное и прикладное значение..
Фотодеградации антропогенных соединений в водах уделяется все больше внимания. Человеческая деятельность определяет, что во многих случаях антибиотики, лекарства, пестициды и другие соединения синтетического происхождения попадают в воду.
В биологических науках очень часто встречаются сложные фотореактивные соединения. Будучи присутствующими в клетках или тканях, некоторые из них подвергаются воздействию определенного типа светового излучения для их разрушения.
Это создает видимость другого соединения, отслеживание или обнаружение которого позволяют нам ответить на множество основных вопросов..
В других случаях изучение соединений, полученных в результате реакции фотодиссоциации, связанной с системой детектирования, позволяет проводить глобальные исследования состава сложных образцов..
Фотолиз
Содержание
Роль в фотосинтезе
Фотолиз является частью фотосинтеза, которая протекает в гранах хлоропластов. При фотолизе свет, поглощенный хлорофиллом превращается в химическую энергию, которая затем используется для разложения воды на водород и кислород. Кислород выделяется в виде побочного продукта, а водород связывается с коферментом НАДФ с образованием НАДФH2.
Фотолиз в атмосфере
Фотолиз также протекает в атмосфере как часть последовательности реакций в ходе которой первичные загрязняющие вещества, такие как углеводороды и оксиды азота, взаимодействуют с образованием вторичных загрязняющих веществ, таких как пероксиацилнитраты. См. подробнее статью смог.
Две важнейших реакции фотодиссоциации в тропосфере
в ходе которой генерируется возбужденный атомарный кислород, который при дальнейшей реакции с водой даёт радикал гидроксила:
Гидроксил-радикал является ключевым в химии атмосферы, как инициатор окисления углеводородов в атмосфере, а также действующий как моющее средство.
-ключевая реакция при образовании тропосферного озона.
Образование озонового слоя также связано с фотодиссоциацией. Озон в стратосфере Земли образуется под воздействием ультрафиолета на кислородную молекулу, содержащую два атома кислорода (O2), которая разлагается на индивидуальные атомы (атомарный кислород). Атомарный кислород затем взаимодействует с неразрушенным O2 с образованием озона, O3.
Фотолитическим является процесс разрушения хлорфторуглеводородов в верхних слоях атмосферы с образованием озоноразрушающих свободных радикалов хлора.
Астрофизика
В астрофизике фотодиссоциация является одним из важнейших процессов разрушения и образования новых молекул. В вакууме межзвёздного пространства, молекулы и свободные радикалы могут существовать длительное время. Скорость фотодиссоциации очень важна для изучения состава межзвёздного вещества из которго образуются звёзды.
Многофотонная диссоциация
В сравнении с ультрафиолетом или другими фотонами высоких энергий, энергии одиночных фотонов инфракрасного спектрального диапазона обычно недостаточно для прямой фотодиссоциации молекул. Однако, после поглощения серии инфракрасных фотонов молекула может прирастить свою внутреннюю энергию до уровня, превышающего порог диссоциации. Многофотонная диссоциация может быть достигнута при использовании лазеров высоких энергий, таких как углекислотный лазер, лазер на свободных электронах, или при длительном времени взаимодействия молекул с потоком излучения без возможности быстрого охлаждения. Последний метод позволяет добиваться многофотонной диссоциации даже под воздействием излучения абсолютно чёрного тела.
Флэш-фотолиз
См. также
Полезное
Смотреть что такое «Фотолиз» в других словарях:
фотолиз — фотолиз … Орфографический словарь-справочник
ФОТОЛИЗ — В химии разложение какого либо вещества на его составные части под влиянием световой энергии, доставляемой извне данного вещества. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. фотолиз (фото. гр. lysis… … Словарь иностранных слов русского языка
фотолиз — сущ., кол во синонимов: 4 • диссипация (2) • ионизация (7) • окисление (9) • … Словарь синонимов
фотолиз — Реакция расщепления химических соединений, протекающая с использованием энергии видимого света. [Арефьев В.А., Лисовенко Л.А. Англо русский толковый словарь генетических терминов 1995 407с.] Тематики генетика EN photolysis … Справочник технического переводчика
ФОТОЛИЗ — распад жидких, твёрдых или газообразных веществ под действием света … Большая политехническая энциклопедия
ФОТОЛИЗ — разрыв связи в молекуле в результате поглощения фотона. Часто этот термин неточно используют в более широком смысле как любое хим. превращение при действии света на в во. В термине импульсный фотолиз такое употребление считается приемлемым.… … Химическая энциклопедия
фотолиз — photolysis фотолиз. Pеакция расщепления химических соединений, протекающая с использованием энергии видимого света. (Источник: «Англо русский толковый словарь генетических терминов». Арефьев В.А., Лисовенко Л.А., Москва: Изд во ВНИРО, 1995 г.) … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.
Тест по биологии Биосинтез белков в живой клетке. Биосинтез углеводов — фотосинтез 9 класс
Тест по биологии Биосинтез белков в живой клетке. Биосинтез углеводов — фотосинтез 9 класс с ответами. Тест включает два варианта, в каждом по 7 вопросов и заданий трех уровней сложности.
Вариант 1
A1. Как называется первый этап биосинтеза белка?
1) трансляция
2) транскрипция
3) мутация
4) кодирование
А2. Где происходит непосредственное образование полимерной цепи белка?
1) в ядре
2) в клеточном центре
3) в комплексе Гольджи
4) в рибосомах
А3. Как называется первичный продукт фотосинтеза?
1) крахмал
2) целлюлоза
3) глюкоза
4) сахароза
А4. Что представляет собой процесс фотолиза (фотоокисления)?
1) расщепление молекулы воды при фотосинтезе
2) синтез молекулы воды при фотосинтезе
3) выделение молекулы воды при фотосинтезе
4) поглощение молекулы воды при фотосинтезе
В1. Какая энергия способствует процессу биосинтеза белков в клетке?
В2. Как называются триплеты в иРНК?
C1. Объясните, от каких факторов зависит скорость протекания процесса фотосинтеза.
Вариант 2
A1. Где происходит копирование генетической информации ДНК?
1) в цитоплазме
2) вне клетки
3) в ядре
4) в мембране
А2. Как называется процесс считывания с иРНК генетической информации?
1) транскрипция
2) трансляция
3) синтезирование
4) копирование
А3. Какая энергия используется в световых реакциях фотосинтеза?
1) внутренняя энергия клетки
2) энергия, выделяемая клеткой при катаболизме
3) энергия воздуха
4) энергия солнечного света
А4. Как называется внутримембранное пространство хлоропласта, заполненное студенистым веществом?
1) полисома
2) строма
3) грана
4) тилакоид
B1. Как называется дискретная единица генетического кода, состоящая из трех последовательных нуклеотидов?
В2. Какие органические соединения доставляют аминокислоты к рибосомам?
C1. Объясните, почему первая стадия фотосинтеза называется световой, а вторая — темновой.
Ответы на тест по биологии Биосинтез белков в живой клетке. Биосинтез углеводов — фотосинтез 9 класс
Вариант 1
А1-2
А2-4
А3-3
А4-1
В1. Энергия АТФ
В2. Кодоны
Вариант 2
А1-3
А2-2
А3-4
А4-2
В1. Триплет
В2. Транспортные РНК
Принципы и особенности фотолиза воды
Что такое фотодиссоциация или фотолиз воды
Фотолиз воды — распад водных молекул из-за воздействия солнечного света (фотонов) при фотосинтезе.
Он является частью процесса фотосинтеза в растениях и способствует выделению большого количества кислорода в атмосферу.
Фотодиссоциация может протекать и вне видимого света, если фотон обладает достаточной энергией (выше солнечной — ультрафиолетовые лучи, рентгеновские или гамма-лучи).
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Фотолиз возникает из-за воздействия светового фотона на воду.
Последовательность фотосинтеза воды
Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой. Фотолиз осуществляется в рамках световой фазы.
Световая фаза фотосинтеза
В листьях растений содержатся хлоропласты, полные особых пигментов:
На количество хлорофилла влияет концентрация тяжелых металлов (например, меди, цинка, марганца) и количество углерода в листьях растений.
Фотолиз происходит только в 1% молекул хлорофилла. Все другие собирают свет, объединяясь и становясь антенными комплексами. Собирая свет, молекулы хлорофилла приходят в возбуждение. Оно передается в реакционные центры. В центрах есть две фотосистемы. В каждой из них — особые молекулы хлорофилла (в первой P680, а во второй P700). Они принимают световые кванты конкретной длины — 680 и 700 нм. При этом каждая система выделяет один электрон на более высокий уровень.
Первая фотосистема способствует восстановлению количества электронов при посредстве переносчиков из второй системы. А вторая система забирает у воды электрон, тем самым давая начало ее фотолизу (распаду\расщеплению) на ионы водорода и кислород. Кислорода выделяется очень много. Он является побочным продуктом, высвобождается в атмосферу. Водород остается и накапливается в мембране, чтобы продолжить участвовать в дальнейших реакциях уже в темновой фазе.
Основные этапы фотосинтеза воды:
Темновая фаза фотосинтеза
Она проходит после фотолиза и уже без участия света. В этот период восстанавливается глюкоза (благодаря растворенному в воде углекислому газу, НАДФ и АТФ) — цикл Кальвина (процесс открыл ученый по фамилии Кальвин).
Здесь участвует запасенная в предыдущей фазе энергия.
Место проведения реакций темновой фазы — строма хлоропластов. Углерод поступает туда через устьица.
Фотолиз, проходящий в световой фазе, готовит все необходимые вещества для будущей реализации темновой фазы.
Избыток глюкозы при его возникновении будет отложен в виде крахмала (запасное питательное вещество для всего растения).
Также на этом этапе образуются нуклеотиды, спирты, аминокислоты.
Химические основы фотолиза воды
Хлорофилл своим химическим составом напоминает гемоглобин крови. Это обусловлено наличием порфиринового кольца с магнием в центре.
Фотосинтез с химической точки зрения — это процесс восстановления углерода с помощью энергии солнца. В животных организмах она появляется вследствие метаболизма углеводов (их животные получают с растительной пищей). Углеводы проходят через окисление.
По степени способности к гидролизу углеводы делят на несколько групп:
В результате второй фазы фотосинтеза образуется моносахарид — глюкоза и полисахарид — крахмал.
Что участвует в реакции, формула
В реакции участвует вода и электрон.
Электроны (e) пополняют затраченный при фотосинтезе запас хлорофилла.
Побочным продуктом данной реакции выступает кислород ( \(O_2\) ).
Что выделяется при фотолизе
Выделяется большое количество свободного кислорода в атмосферу. А также ионы водорода, которые накапливаются в избытке на мембране, создавая световые запасы для темновой фазы фотосинтеза.
Именно благодаря реакции фотолиза воды может образовывать много кислорода, который дает возможность жить всему живому на земле.