Фотосинтез аппаратының негізі

                                Жоспары.

Кіріспе

1 . Фотосинтез

1.1 Аденозин үш фосфор қышқылы    

1.2  Қызметі және биологиялық рөл

1.3 Фотосинтездік  фосфорлау

1.4 Митохондрия АТФ-ті синтездеуші органоид

Қорытынды

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Кіріспе 

Фотосинтез – жоғары сатыдағы жасыл өсімдіктердің, балдырлардың, фотосинтездеуші хлорофилл және басқа дафотосинтездік пигменттер арқылы күн сәулесі энергиясын сіңіруі нәтижесінде қарапайым қосылыстардан (көмірқышқыл газы, су) өздерінің және басқа организмдердің тіршілігіне қажетті күрделі органикалық заттар түзуі. Фотосинтез нәтижесінде жер жүзіндегі өсімдіктер жыл сайын 100 млрд т-дан астам органикалық заттар түзеді (мұның жартысынан көбін теңіз, мұхит өсімдіктері түзеді) және бұлкезде олар 200 млрд-тай СО2 сіңіреді, оттегін бөледі.Жоғары сатыдағы жасыл өсімдіктер, балдырлар (көп жасушалы жасыл, қоңыр, қызыл, сондай-ақ бір жасушалы эвглена, динофлагеллят, диатом балдырлар) фотосинтезінде сутек доноры және шығарылатын оттек көзі су, ал сутек атомның негізгі акцепторы және көміртек көзі – көмірқышқыл газ. Фотосинтезге тек СО2 мен Н2О пайдаланылса углевод түзіледі. Фотосинтез процесіне өсімдік углевод түзумен қатар құрамында азоты және күкірті бар аминқышқылдарын, белок, молекуласы құрамында азот болатын хлорофилл де түзеді. Бұл жағдайда көмірқышқыл газбен қатар сутек атомының акцепторы және азот, күкірт көзі нитрат және сульфат болады. Фотосинтездеуші бактериялар молекула оттекті пайдаланбайды, оны бөліп шығармайды (бұлардың көбі анаэробтар). Бұл бактериялар су орнына донор ретінде электрондарды не органикалық емес қосылыстарды (күкіртті сутек, тиосульфат, газ тәрізді сутекті) немесе органикалық заттарды (сүт қышқылы, изопропил спиртін) пайдаланады.

Фотосинтез аппаратының негізі – жасуша ішіндегі органелла-хлоропластар (көк жапырақ жасушасында 20-100 болады). Балдырлардың көпшілігінде фотосинтездік аппарат – жасуша ішіндегі арнайы органелла-хроматофорлар, ал фотосинтездеуші бактериялар мен көк-жасыл балдырларда тилакоидтер. өсімдік фотосинтез процесінің негізі – тотығу-тотықсыздану. Мұнда квантэнергиясы әсерінен 4 электрон мен протон су дәрежесінен (оның тотығуы) углевод дәрежесіне дейін көтеріледі. (СО2-ның тотықсыздануы). Сөйтіп углеводтар фотосинтезі былай өтеді: СО2+Н2О С(Н2О)+О2+120 ккал/моль яғни СО2-ның бір молекуласының углевод дәрежесіне дейін тотықсыздануының бос энергиясы 120 ккал/моль болады. Демек, өсімдік фотосинтезі кезінде кем дегенде 3 квант («қызыл» кванттар энергиясы 40 ккал/моль) сіңірілуі қажет. әр түрлі жағдайда жасалған тәжірибе СО2-ның әр молекуласының тотықсыздануына 8–10 квант қажет екенін көрсетті. Көмірқышқыл газ да, су да, жарықты тікелей сіңірмейді, бұл қосылыстардың квантпен байланысқа түсуін хлоропласт не хроматофор структурасындағы хлорофилл а қамтамасыз етеді. Фотосинтездің биосферадағы маңызы да үлкен. Жер жүзіндеге, мысалы, көміртек, суттек, оттек, сондай-ақ N, S, P, Mg, Ca т.б. элементтер айналымы процесіне қатысы бар. Жер қалыптасқаннан бері фотосинтез нәтижесінде маңызды элементтер мен заттар бірнеше мың рет толық цикл айналымынан өткен. өсімдік өнімін арттырудың бір жолы - өсімдіктің фотосинтездік әрекетін үдету. Бұл үшін жапырақ көлемін үлкейту, жапырақ тіршілігін ұзарту, егістіктегі өсімдік жиілігін реттеу керек. СО2, ауа, су, топырақтағы қоректік элементтер жеткілікті болуы қажет. Фотосинтез аппаратының активтілігі жапырақтың анатомиялық құрылысына, ферментжүйесі активтілігіне, көміртек метабализмі типіне байланысты болады. өсімдік селекциясының, яғни СО2 ассимиляциясы тез жүретін өсімдік сорттарын шығарудыңда үлкен маңызы бар.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фотосинтез – жоғары сатыдағы жасыл өсімдіктердің, балдырлардың, фотосинтездеуші хлорофилл және басқа дафотосинтездік пигменттер арқылы күн сәулесі энергиясын сіңіруі нәтижесінде қарапайым қосылыстардан (көмірқышқыл газы, су) өздерінің және басқа организмдердің тіршілігіне қажетті күрделі органикалық заттар түзуі. Фотосинтез нәтижесінде жер жүзіндегі өсімдіктер жыл сайын 100 млрд т-дан астам органикалық заттар түзеді (мұның жартысынан көбін теңіз, мұхит өсімдіктері түзеді) және бұлкезде олар 200 млрд-тай СО2 сіңіреді, оттегін бөледі.

Фотосинтезді алғаш зерттеушілер Швейцария ғалымдары Ж.Сенебье, Н.Соссюр және неміс химигі Ю.Майер болды. 19 ғасырдың 2-жартысында К.А.Тимирязев күн сәулесі энергиясы фотосинтез процесінде хлорофилл арқылы сіңірілетінін анықтады. 20 ғасырдың басында фотосинтездің физиологиясы мен экологиясына арналған маңызды зерттеулер жүргізіледі (В.В.Сапожников, С.П.Костычев, В.Н.Любименко, А.А.Ничипорович т.б.). 20 ғасырдың орта кезінен бастап фотосинтезді зерттеуде жаңа әдістер (газ анализі, радиоизотопты әдіс спектроскопмя. Электрондық микроскоп т.б.) дамыды.

Жоғары сатыдағы жасыл өсімдіктер, балдырлар (көп жасушалы жасыл, қоңыр, қызыл, сондай-ақ бір жасушалы эвглена, динофлагеллят, диатом балдырлар) фотосинтезінде сутек доноры және шығарылатын оттек көзі су, ал сутек атомның негізгі акцепторы және көміртек көзі – көмірқышқыл газ. Фотосинтезге тек СО2 мен Н2О пайдаланылса углевод түзіледі. Фотосинтез процесіне өсімдік углевод түзумен қатар құрамында азоты және күкірті бар аминқышқылдарын, белок, молекуласы құрамында азот болатын хлорофилл де түзеді. Бұл жағдайда көмірқышқыл газбен қатар сутек атомының акцепторы және азот, күкірт көзі нитрат және сульфат болады. Фотосинтездеуші бактериялар молекула оттекті пайдаланбайды, оны бөліп шығармайды (бұлардың көбі анаэробтар). Бұл бактериялар су орнына донор ретінде электрондарды не органикалық емес қосылыстарды (күкіртті сутек, тиосульфат, газ тәрізді сутекті) немесе органикалық заттарды (сүт қышқылы, изопропил спиртін) пайдаланады.

Хлоропласттар

Фотосинтез аппаратының негізі – жасуша ішіндегі органелла-хлоропластар (көк жапырақ жасушасында 20-100 болады). Балдырлардың көпшілігінде фотосинтездік аппарат – жасуша ішіндегі арнайы органелла-хроматофорлар, ал фотосинтездеуші бактериялар мен көк-жасыл балдырларда тилакоидтер. өсімдік фотосинтез процесінің негізі – тотығу-тотықсыздану. Мұнда квантэнергиясы әсерінен 4 электрон мен протон су дәрежесінен (оның тотығуы) углевод дәрежесіне дейін көтеріледі. (СО2-ның тотықсыздануы). Сөйтіп углеводтар фотосинтезі былай өтеді: СО2+Н2О С(Н2О)+О2+120 ккал/моль яғни СО2-ның бір молекуласының углевод дәрежесіне дейін тотықсыздануының бос энергиясы 120 ккал/моль болады. Демек, өсімдік фотосинтезі кезінде кем дегенде 3 квант («қызыл» кванттар энергиясы 40 ккал/моль) сіңірілуі қажет. әр түрлі жағдайда жасалған тәжірибе СО2-ның әр молекуласының тотықсыздануына 8–10 квант қажет екенін көрсетті. Көмірқышқыл газ да, су да, жарықты тікелей сіңірмейді, бұл қосылыстардың квантпен байланысқа түсуін хлоропласт не хроматофор структурасындағы хлорофилл а қамтамасыз етеді. Фотосинтездің биосферадағы маңызы да үлкен. Жер жүзіндеге, мысалы, көміртек, суттек, оттек, сондай-ақ N, S, P, Mg, Ca т.б. элементтер айналымы процесіне қатысы бар. Жер қалыптасқаннан бері фотосинтез нәтижесінде маңызды элементтер мен заттар бірнеше мың рет толық цикл айналымынан өткен. өсімдік өнімін арттырудың бір жолы - өсімдіктің фотосинтездік әрекетін үдету. Бұл үшін жапырақ көлемін үлкейту, жапырақ тіршілігін ұзарту, егістіктегі өсімдік жиілігін реттеу керек. СО2, ауа, су, топырақтағы қоректік элементтер жеткілікті болуы қажет. Фотосинтез аппаратының активтілігі жапырақтың анатомиялық құрылысына, ферментжүйесі активтілігіне, көміртек метабализмі типіне байланысты болады. өсімдік селекциясының, яғни СО2 ассимиляциясы тез жүретін өсімдік сорттарын шығарудыңда үлкен маңызы бар.

   Аденозин үш фосфор қышқылы немесе Аденозин үш фосфат (қысқаша АТФ немесе АҮФ, ағылш. АТР) - энергетикалық нуклеотид. Бұл - тірі жасушадағы негізгі «энергия заты». ағзалардағы бүкіл процесстерінде, заттектер алмасуында маңызы зор. АТФ 1929 жылы Гарвардской медицина мектебінің ғылымдарының (Карл Ломан мен Йеллапрагада Суббарао зерттеу жұмыстарының нәтижесінде ашылған. 1941 жылы Фриц Липман АТФ-тың жасушадағы негізгі энергия таратушы ретінде айқындаған .

     Органикалық  молекулалардың тотығу  реакцияларында бөлініп шығатын энергия Аденозин  үш фосфат қышқылытүрінде митохондрияларға  жиналады.

Аденозин үш фосфат қышқылы гидролизденіп бір макроэнергиялық байланыс үзілгенде, 8,4 ккал/моль бөлінеді

                            

Глюкозаның бір молекуласы  клеткада  көміртек оксиді (СО2) мен суға (Н2О) дейін ыдырауынан Аденозин үш фосфат қышқылының 38 молекуласы синтезделеді.

Қызметі және биологиялық рөлі

Аденозин үш фосфат қышқылы энергиясы организмде органикалық молекулалар биосинтезіне, бұлшық еттердің жұмысына, жүйке импульстерінің берілуіне, иондардың клетка мембранасы арқылы тасымалдануына, т.б. жұмсалады. 
Биологиялық тотығу кезінде бөлініп шығатын энергияның бір бөлігі сақталмай жылу энергиясына айналады. Бұл энергия жылы қанды организмдердің дене температурасын бірқалыпты ұстау үшін пайдаланылады.

АТФ-тың рөлі мен қасиетін акырына дейін түсіну үшін АТФ молекуласының кұрылысын білу керек. Бұл - жалғыз нуклеотид. Ол РНҚ тізбегіндегі нуклеотидтерге ұқсас, өйткені оның құрамында қант - рибоза болады. Азотты негізі - аденин. Негізгі айырмашылығы мынада: АТФ-та фосфор қышқылының бір қалдығының орнына рибозаға бірінен соң бірі үш қалдық қосылады, сондықтан «үш-фосфат» деп аталған.

АТФ негізгі биологиялық энергия жинақтау қызметін атқаруға фосфор қалдықтарының арасындағы химиялық байланыс мүмкіндік жасайды. Ол молекуладан «үзілген» кезде - энергияны жинақтау энергия бөлінеді. Сонымен бірге бөлінген энергия тірілік үдерістеріне - бұлшықет жиырылуына, зат синтездеу немесе жүйке серпінділігіне пайдаланылады. Егер жасушада энергия (құнарлы заттардың ыдырау үдерісінде) пайда болса, онда АТФ-ты оңай қалпына келтірудің қайтымды үдерісі жүреді.

АТФ - ағзалардың бүкіл пайдалы энергиясы іс жүзінде сол арқылы «өтетін» зат. Бүкіл тіршілік үдерістері негізіне жататын химиялық реакциялардың жасушада жүзеге асуына жылу, механикалық, өзге де ешқандай энергия түрі пайдаланылмайды. АТФ-ны «жасушалардың энергетикалық нарқы» деп жиі айтатыны сондықтан болса керек. Заттар ыдырау арқылы энергиясын АТФ синтезіне береді. Осыған қатарласа ағзамен және жарғақша арқылы биосинтездің, өсудің, бұлшықет жиырылуының, жүйке серпілісінің заттар тасымалдауды және өзге де көптеген тіршілік үдерістері жүреді. Осы үдерістердің барлығына тек АТФ-ның ыдырау энергиясы ғана шығындалады. АТФ-ның бір молекуласы тәулігіне 2-ден 3 мың рет ыдырап, қосылыса алады. Органикалық молекулалардың тотығу реакцияларында бөлініп шығатын энергия Аденозин үш фосфат қышқылы түрінде митохондрияларға жиналады.  Аденозин үш фосфат қышқылы энергиясы организмде органикалық молекулалар биосинтезіне, бұлшық еттердің жұмысына, жүйке импульстерінің берілуіне, иондардың клетка мембранасы арқылы тасымалдануына, т.б. жұмсалады.Биологиялық тотығу кезінде бөлініп шығатын энергияның бір бөлігі сақталмай жылу энергиясына айналады. Бұл энергия жылы қанды организмдердің  дене температурасын бірқалыпты ұстау үшін пайдаланылады.

      Энергия қорын жинаушы  аденозин үш фосфат (АҮФ),аденозин екі фосфат, цитозин үш фосфат,уридин үш фосфат, гуанозин үш фосфат,креатинфосфат,ацетилфофат және басқа қосылыстар жайында. Бұлар ішіндегі ең маңыздысы  АҮФ. АҮФ жасуша метоболизмінің әртүрлі екі процесінің нәтижесінде пайда болады. Осы байланыстың соңындағы фосфордың бөлініп кетуі кезінде 3,4 *104- 5,0*104 Дж энергия түзіледі. Бұл химиялық байланыстардың ыдырауы барысында бөлінетін энергиядан әлде қайда көп (1,3*104).

   Ауыр металдардың тұздары,цианид қосылыстары және формальдегид фермент қызметін нашарлатады,мұндай  заттарды ингибиторлар деп атайды. Ферменттер кейбір улы заттардың әсеріне төзімді болып келеді. Мәселен,жасушаға хлороформ сияқты заттар енсе,олардың тіршілігі бірден тоқталады. Бірақ соның өзінде өз күшін жоймай сақтап қалады.

    Ферменттер  суда,спиртте және глицирин мен түрлі тұз араласқан ортада ериді. Олар жнуарлардың өсімдіктердің және микроорганизмдердің жасушаларын синтездеп шығаратын биологиялық катализаторлар. Ферменттер  классификациялаудың қазіргі кездегі тәртібі олардың реакцияларды катализдейтін ерекшелігіне байланысты. Халықаралық  биохимиялық одақтың классификациясына байланысты ферменттер негізінен алты классқа бөлінеді.

    Оксидоредуктазалар бұл тотығу тотықсыздану реакцияларын катализдейтін ферменттер. Биологиялық жолмен энергия өндіруде олардың маңызы зор. Бұған  микроорганизмдерде тыныс алу және түрлі ашыту процестерін жүргізуге қатысатын ферменттер НАД, НАДФ жатады. Ашу процесіне тікелей қатысы бар фермент зимаза. Бірақ оның өзінің көптеген ферменттерден тұратын анықталған. Олар сутегін тасымалдап,органикалық заттардың тотығуын немесе тотықсыздану қамтамасыз етеді.   Соның  нәтижесінде жасуда көптеген аралық өнімдер органикалық қышқылдар,фосфор,эфирлер,энергия көзі   АТФ және АДФ тағы басқалары түзіледі. Олардан бөлінетін энергия микроорганизмдер тіршілігіне жұмсалады. Кейбір жағдайда тотығатын заттардан сутегі де бөлінеді. Сондықтан  бұл фермент дегидрогеназа деп те атайды.

     Дегидрогеназалар екіге бөлінеді. Оның анаэробты тобы ортадан сутегін бөліп алу реакциясын және оны акцепторға басқа затқа жалғастыруды жүзеге асырады. Мұның өзі күрделі фермент. Анаэробты дегидрогеназа талғампаз. Мысалы  алькогольдегидрогеназа этил спиртін ғана тотықтырады,ал басқа субстратқа әсер етпиді. Мал гидрогеназа сүт қышқылын қымыздық сірке қышқылына дейін тотықтырады. Аэробты дегидрогеназалар ауадағы оттегімен әрекеттесіп,оған субстраттан немесе анаэробты  дегидрогеназадан бөлініп шыққан сутегін береді. 

     Лигаза немесе синтетазалар АТФ энергиясы есебінен жай заттардан күрделі органикалық заттарды синтездейтін ферменттер. Бұл жерде жалпы тірі организмде кездесетін жүйесі болады. Ал  микрооргнаизмдер ферментінің басқа организм ферменттеріне ұқсамайтын өзіндік ерекшеліктері бар.

Фотосинтездік  фосфорлау

     Фотосинтездің  жарық сатысында электрондардың циклді және циклсіз тасымалдану нәтижесінде бөлінетін энергия АДФ тың фосфорланып, АТФ қа айналу процесі жұмсалады. Бұл  процесс тиісінше циклді және циклсіз фосфорлану деп аталады. Фосфорланудың  осы екеуінен басқа псевдоциклді деп аталатын түрі де кездеседі. Ол сутегінің тікелей акцепторы оттегіне байланысты және циклсіз фосфорлануға ұқсас.

 2НАДФ + 2АДФ + 2Ф +2Н2О – 2НАДФ – 2Н +2Н +2АТФ+О2

Кейінгі  кезде фотосинтездік фосфорлану механизмі ағылшын ғалымы Питр Митчелдің хемиосмостық теориясымен түсіндіріледі. Бұл теория тилакоид мембранасы арқылы протондарды тасымалдануы туралы ұғымға енгізілген. Электрон тасымалдаушы тізбектің жеке мүшелері тилокоид мембранасында айқас реттеліп орналасқан. Суды тотықтыратын жүйе пластоцианин цитохромы ,сондай ақ реакциялық орталық пинменттері мембрананың ішкі жағында реакциялық  орталықтардың акцепторлық бөлігі флавопротеид ФД,НАДФ және НАДФ мембрананың сырт жағында орналасқан. Осындағы электрон тасымалдаушылардың біреуі пластохинон электрондарымен қатар протондары да мембрананың сыртынан ішіне қарай тасымалдайды. Осының нәтижесіне тилокоидтың  іш жағында протондар концентрациясы көбейедіде,қышқылдығы артады. Тилокоид  ішінде судың ыдырауынан бөлінген протондар оның қышқылдығын одан әрі жоғарлатады. Тилакоид  мембранасының  екі жағындағы рН айырмашылығы  энергия көзі болып есептеледі. Осы энергия тилакоид мембранасының сырт жағындағы саңырауқұлақ тәріздес құрылымның ерекше өзекшелері арқылы протондар сыртқа тасымалданғанда пайдалануы мүмкін. Бұл өзекшелерде байланыстырушы фактор деп аталатын АТФ синтезі жүзеге асыра алатын белок фермент АТФ синтетаза бар. Бұл фермент  АТФтың ыдырауын қажет тті энергия жеткілікті жағдайда синтезделуін де катализдейді. Ол энергияны саңырауқұлақ тәріздес құрылымдар бойымен мембраналар арқылы жататын протондады жеткізеді. Механикалық  энергия электрлікке айналған сияқты болады. Протондардың тасымалдануы, олардың тилакоид ішіндегі концентрациясы сыртындағыдан артық болғанша демек электрондардың ауысуы тоқтағанша ауыса береді. Тізбек арқылы әрбір екі электрон тасымалданғанда тилакоид ішінде 4пратон жиналады. Сыртқа қарай әрбір үш протон қайта ауысқанда АТФтың бір молекуласы синтезделеді.

     Электрондардың циклсіз тасымалдануы және НАДФН пен АТФ тың синтезделуі. Бұл процес циклсіз фотосинтездік фосфорлану деп аталады,циклсіз деп аталуы электрондардың айналымсыз жолмен тасымалдануына байланысты да,фото деп аталу себебі бұл процесте бөлінген энергия АДФ тың фосфорланып АТФ к синтезделуіне жұмсалатындығына байланысты. Электрондардың  тасымалдануы жолын шартты түрде 5 бөлікке бөлуге болады. Олардың екеуі пигменттік жүйелер,үшеуі электрон тасымалдаушы тізбектер: біреуі электрондарды қозған  Р*700 ден алып  НАДФ қа жеткізеді  P*680 пигменттен Р*700 ге жеткізеді  оттегінің бөліну жүйесі деп аталатын үшіншісі электрондарды су молекуласынан қабылдап  P*680 пигментіне ауыстырады. Электрондардың осылайша судан НАДФ қа дейін тасымалдану желісі.