Поэма фотосинтез

Световая фаза: 6СО2 + 6Н2О (оксид углерода + вода) преобразуется в...
С6Н12О6 + 6О2 (углевод глюкоза + молекулярный кислород)

Темновая фаза: 6СО2 + 24Н (оксид углерода + водород) преобразуется в...
С6Н12О6 + 6Н2О (углевод глюкоза + вода)


Глава 1. Природа питания организмов.

По долинам и по взгорьям,
Косогорам и полям,
По болотам и по взморьям
Всюду Флора - там и сям…

Автотрофами насыщен
Весь зеленый мир Земли
Видов их - большие тыщи.
Толстых, острых и сухих.

Пьют они простую воду,
И вдыхая кислый газ,
Наполняют кислородом
Атмосферу возле нас.
 
Только в Арктике холодной
В вечно ледяном краю
Флора вымерзла бесплодно
И почила на корню.

И не ведает покорно
Про воздушный комбикорм,
Данный солнцем и водою
Свыше требуемых норм.

Да еще гетеротрофам
Неизведан тайный смысл
Перевоплощенья фото
Синтезирующих сил.

Им не нужен лучик света,
Им бы только съесть того,
Кто трудился беззаветно
В поте тела своего.

Но еще хитрее многих
Есть такие мудрецы,
Что сумели приспособить
То, что не смогли отцы.

Им органикой питаться
Или воду разлагать
Есть не суть, коли пытаться
В скудной жизни выживать.

Собирать по крохам долю,
Не виня судьбу лихую,
Не меняя свою волю
На безвестность вековую.

 

Глава 2. Принцип фотосинтеза органических веществ.

Углеродные заводы
В хлоропластовых цехах
На свету фильтруют воду
Расщепляя её так:

Прилетают два фотона
Попадают в хлорофилл,
Выбивают электроны
С расшатавшихся орбит.

Хлорофилл – белок что надо.
Видит он, что оскудел,
И сквозь тонкую мембрану
Электрон с воды пригрел.

А вода без электрона
Что наган, да без патрона,
Королева без короны,
Словно домик из картона, -

Беззащитная матрона.
И осталось у неё -
Кислород, да два протона.
Да и те уж не её.

Кислород на волю вышел,
В атмосферу улетел.
А протоны, словно мыши,
Ускользнули в свой удел.

Положительный заряд их
Притянул нуклеотиды.
Эти клеточные соли
Тешат собственные виды.

Их химической структуре
Люба древняя судьба -
Синтезировать в натуре
Форму сложного белка:

Кислоту или глюкозу,
Полимерный длинный ряд.
Лишь добавьте микродозу
Водорода в хлоропласт.

Синтез многих углеводов
Невозможен без него.
В тесной связке с углеродом
Водород шагнул из вод.

 

Исключение - ПУРПУРНЫЕ БАКТЕРИИ, содержат пигменты - бактериохлорофиллы и каротиноиды, окрашивающие их скопления в красный, розовый, коричневый цвета. Фотосинтез происходит без выделения молекул кислорода. Многие анаэробы. Древние фотосинтезирующие организмы. Обитают в пресных и соленых водоемах.

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, изучает соединения углерода с др. элементами - т. н. органические соединения и законы их превращений. Как самостоятельная область химии стала складываться лишь в 19 в.; термин "Органическая химия" введен Й.Берцелиусом в 1827. Большое влияние на развитие органической химии оказала теория химического строения (А. М. Бутлеров, 1861). Способность углерода соединяться с большинством элементов и образовывать молекулы самого различного состава и строения (цепного, циклического, с простыми и кратными связями между атомами) обусловливает огромное многообразие органических соедений (к 1990-м гг. их число превысило 10 млн.). Синтез многочисленных органических веществ привел к созданию новых отраслей промышленности - синтетические красители, полимеры, искусственное жидкое топливо и др. Пользуясь методами органической химии, удалось установить структуру белков, нуклеиновых кислот и др. сложных природных соединений, синтезировать витамины, некоторые гормоны, ферменты.

УГЛЕРОД (лат. Carboneum), С - химический элемент IV гр. периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомная масса 12,011. При обычных условиях химически инертен; при высоких температура соединяется со многими элементами. Многообразие соединений углерода определило возникновение  органической химии. Содержание в земной коре - 6,5.1016 тонн. Значительное количество (около 1013 тонн) входит в состав горючих ископаемых (уголь, природный газ, нефть и др.), а также в состав углекислого газа атмосферы (6.1011 тонн) и гидросферы (1014 тонн). Углеродсодержащие минералы - карбонаты. Широко распространен в космосе, на Солнце он занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода.

 


Глава 3. Итоги и перспективы исследований фотосинтеза.

Где-то в Пущинских подвалах
Или в дебрях МГУ
Синтезируя крахмалы,
Люди веру берегут.

Веру в то, что непременно,
Изучив порядок схем,
Им природа откровенно
Расшифрует тайну ген.

Зорко смотрят в микроскопы,
Когерентный свет дают,
Изменив волну в микроны
Всё записывают.

Изотопами попрыскав
На зелёный новый лист,
Измеряет скорость роста
Молодой специалист.

Смотрит как нуклеотиды
Прибирают водород,
И по транспортным полипам
Химия как Жизнь течёт.

Циклы Кальвина мерцают,
Катионы встали в ряд,
Ищут брешь, куда пускают
Положительный заряд.

Там фосфатный транслокатор
Их подхватит, вставит в круг
Той цепочки, что скрывает
Тайну гидроксильных групп.

Вот погасли лампы дружно.
В наступившей темноте
Лист заснул, но снова дышит
Диоксидом и во сне.

И внутри него не дремлют
Ни минуту те, на ком
Долг ответственного дела -
Синтеза спиртовых форм.

Новой порцией глюкозы
Утро светлое взошло.
Взвесим плод метаморфозы
И опишем "как былО" .


Глава 4. Глюкоза – продукт фотосинтеза.

При изучении состава глюкозы выяснили, что её простейшая формула СН2О, а молярная масса 180 г/моль. Отсюда молекулярная формула глюкозы - С6Н12О6.
Для установления структурной формулы молекулы глюкозы необходимо знать её химические свойства. Экспериментально доказали, что один моль глюкозы реагирует с пятью молями уксусной кислоты с образованием сложного эфира. Это означает, что в молекуле глюкозы пять гидроксильных групп. А так как глюкоза с аммиачным раствором оксида серебра даёт реакцию "серебрянного зеркала", то в её молекуле должна быть также альдегидная группа. Опытным путём также доказали, что глюкоза имеет неразветвлённую углеродную цепь.

Как видно из структурной формулы молекулы глюкозы, глюкоза является одновременно многоатомным спиртом и альдегидом, т.е. альдегидоспиртом. Т.к. в молекуле глюкозы шесть атомов углерода, то она является представителем гексоз.
Изомерия: Молекулярную формулу С6Н12О6, кроме глюкозы, имеют и другие углеводороды.
Так в молекуле фруктозы содержатся характерные функциональные группы спиртов -ОН и кетонов.
Вследствие этого фруктоза является кетоноспиртом. Её молекулы тоже имеют циклическое строение.
Нахождение в природе:
В свободном виде глюкоза содержится почти во всех органах зеленых растений. Особенно её много в соке винограда, поэтому глюкозу иногда называют виноградным сахаром. Мёд в основном состоит из смеси глюкозы и фруктозы. В организме человека глюкоза содержится в мышцах, в крови и в небольших количествах во всех клетках.
В природе глюкоза наряду с другими углеводами образуется в результате фотосинтеза. В процессе этой реакции аккумулируется энергия Солнца.
Первый синтез простейших углеводов из формальдегида в присутствии гидроксида кальция был произведён  А.М.Бутлеровым в 1861 г.
На производстве глюкозу получают гидролизом крахмала в присутствии серной кислоты.
Глюкоза - бесцветное кристаллическое вещество со сладким вкусом, хорошо растворяется в воде. Из водного раствора она выделяется в виде кристаллогидрата. По сравнению со свекловичным сахаром она менее сладкая.
Глюкоза обладает химическими свойствами, характерными для спиртов и альдегидов.
Глюкоза является ценным питательным продуктом. Подвергаясь сложным биохимическим превращениям, она освобождает энергию, которая накопилась в процессе фотосинтеза.
Так как глюкоза легко усваивается организмом, её используют в медицине в качестве укрепляющего лечебного средства. Широко применяют сладкую глюкозу в кондитерском деле.


ФОТОСИНТЕЗ (от фото... – греч. photos – свет  и  синтез - греч. synthesis – соединение).
Благодаря фотосинтетической деятельности первых зеленых организмов в первичной атмосфере Земли появился кислород, возник озоновый экран, создались условия для биологической эволюции.

АВТОТРОФЫ (от авто... и греч. trophe - пища, питание) (автотрофные организмы) -организмы, синтезирующие из неорганических веществ (вода, диоксид углерода, неорганические соединения азота) все необходимые для жизни органические вещества, используя энергию фотосинтеза или хемосинтеза (некоторые бактерии - хемотрофы).

Ежегодно растительность на Земле связывает сотни миллионов тонн углерода, вырабатывает в результате фотосинтеза 40-150 миллионов тонн органики, выделяя около 200 млрд. тонн свободного О2.

Большинству растений свойственно воздушное (фотосинтез) и почвенное (минеральное) питание. Известно, что для фотосинтеза используется только 1% падающего света.

ГЕТЕРОТРОФЫ (от гетеро... – другой, разно… и греч. trophe - пища) (гетеротрофные организмы) - организмы, использующие для своего питания готовые органические вещества. Это - человек, все животные, некоторые растения, большинство бактерий, грибы.

МИКСОТРОФЫ (от греч. mixis - смешение и trophe - пища, питание) - организмы со смешанным питанием - неорганическими и органическими веществами. Это - имеющие хлорофилл жгутиковые, способные в сильно загрязненных водоемах питаться органическими веществами (например, Эвглена из рода жгутиковых одноклеточных зеленых водорослей. Длиной до 0,1 мм.), а также растения-полупаразиты, насекомоядные растения (например, Росянка) и др.

АНАБОЛИЗМ (от греч. anabole - подъем) (ассимиляция) - совокупность химических процессов в живом организме, направленных на образование и обновление структурных частей клеток и тканей. Составляет противоположную катаболизму сторону обмена веществ и заключается в синтезе сложных молекул из более простых с накоплением энергии. Наиболее важный процесс анаболизма, имеющий планетарное значение, - фотосинтез.

ХЛОРОПЛАСТЫ (от греч. chloros - зеленый и plastos - вылепленный) - внутриклеточные органоиды растительной клетки, в которых осуществляется фотосинтез, зеленого цвета (в них присутствует хлорофилл). Собственный генетический аппарат и белоксинтезирующая система обеспечивают хлоропластам относительную автономию. В клетке растений до 70 хлоропласт.

ХЛОРОФИЛЛ (от греч. chloros - зеленый и phyllon - лист), зеленый пигмент растений, содержащийся в хлоропластах. В процессе фотосинтеза превращает световую энергию в энергию химических связей органических соединений. По химическому строению - сложное циклическое соединение, например - порфирин, содержащий атом Mg. Существуют различные (близкие по структуре) типы хлорофилл, содержащие в молекуле цикл, в состав которого наряду с атомами углерода входят атомы др. элементов, чаще всего азота, кислорода, серы.

ВУДВОРД (Woodward) Роберт Бернс (1917-1979) - американский химик-органик, иностранный член АН СССР (1976). Осуществил синтез многих биологически активных веществ (хинин, кортизон, хлорофилл, витамин В12 и др.). Установил строение ферроцена (1952, совместно с Дж. Уилкинсоном). Сформулировал ряд правил, используемых в структурной химии. Совместно с Р. Хофманом разработал правила, предсказывающие реакционную способность органических соединений (правила В. - Хофмана, 1965). Нобелевская премия 1965 года.

Нуклеотид – химическое соединение азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты – составная часть молекулы ДНК.  Аденозинтрифосфорная кислота АТФ, синтезирующаяся в мембране хлоропласты, является нуклеотидом.

На сегодня достаточно подробно выяснена химическая структура и пространственная организация фотосинтетического аппарата.
Изучаются электронные свойства пластохинонов в разных состояниях.
Поглощение квантов света и разделение зарядов.
Линейный и циклический электронный транспорт.
Исследуются детали регуляции фотосинтеза, составляются количественные описания процессов (затухающие колебания флуоресценции, концентрация NADPH2, ATP и интермедиатов цикла Кальвина, концентрация неорганического фосфата в клетке). Метод: численные методы нелинейной динамики и квантовой химии.

 
                Екатеринбург, 1999 г.