Личный кабинет
Школьное естествознание и современная наука.

Световая фаза фотосинтеза и дыхательная цепь просто и с единой точки зрения.






Как сказала Елена Борисовна Темы сложные сами по себе, даже для первокурсников профильных вузов...
Чего уж скромничать. Не то, что студенты, сами учителя её плохо понимают, в том числе и не по своей вине: очень уж по скотски она изложена в школьных учебниках.

Тому причин две:
I. Множество ошибок в школьных учебниках.
II. Множество излишней терминологии, усложняющих материал (что особенно вредно для непростого материала).
Примеры ошибок в школьных учебниках:
1. Якобы в результате гликолиза энергия запасается лишь в АТФ (2 молекулы). На самом деле она запасается ТАКЖЕ в виде двух молекул НАДН. А каждая молекула НАДН, окисляясь в дыхательной цепи, позволяет синтезировать три молекулы АТФ.
Ни фига себе слона не заметили!

2. Якобы в световой фазе фотосинтеза энергия запасается ЛИШЬ в виде АТФ, а образующийся НАДФН действует якобы только как восстановитель. На самом деле, действуя как восстановитель, это вещество передаёт СУЩЕСТВЕННУЮ часть энергии для синтеза глюкозы.

Пример явных излишеств проиллюстрирую цитатой из статьи НЕКОТОРЫЕ ТИПИЧНЫЕ ОШИБКИ В УЧЕБНОЙ ЛИТЕРАТУРЕ ПО БИОЛОГИИ:
"Еще одна ошибка – знак равенства между терминами «обмен веществ» и «метаболизм».
Понятие «обмен веществ» появилось значительно раньше. Оно отражает тот факт, что вещество, из которого состоят живые организмы, непрерывно обновляется. Точно так же, как непрерывно обновляется вода в текущей реке и проточном озере. Такие объекты интересны тем, что существенно не меняются, несмотря на обновление вещества. Более того, именно вследствие обновления вещества поддерживается относительная неизменность объектов.
А метаболизм – это совокупность биохимических реакций, протекающих в живых организмах.
Метаболизм – это понятие узко биохимическое, а обмен веществ – общенаучное. Обмен веществ свойственен и реке, и озеру и даже осадку поваренной соли, находящемуся в равновесии с насыщенным раствором. Ведь химическое равновесие отнюдь не означает отсутствие растворения и оседания – оно обозначает что оба процесса идут с одинаковой скоростью.
Во многих учебных пособиях ставится знак равенства между понятиями «распад» и «энергетический обмен», а также понятиями «синтез» и «пластический (строительный) обмен». Эта ошибка является почти автоматическим следствием того, что школьники не понимают, что в клетках имеется топливо и строительный материал. Строительный материал – это то, из чего построены внутриклеточные структуры, А топливо – то, что является источником энергии. Владея этими понятиями, легко сообразить, что синтез гликогена из глюкозы – это превращение топлива из одной формы в другую. И поэтому его следует относить к энергетическому обмену, хотя это и синтез. А образование двух молекул аминокислоты аланина из одной молекулы глюкозы – это строительный обмен, ибо белки, мономерами которых являются аминокислоты, обычно являются строительным материалом.
Думаю, что в школьных учебниках вполне можно обойтись и без понятий «строительный» и «энергетический» обмен. А также без понятий «анаболизм», «катаболизм», «ассимиляция» и «диссимиляция». Достаточно дать понятия «распад» и «синтез», попутно рассказав о том, в каких процессах образуется АТФ.
"


На а теперь перейдём к матчасти.

Первое, что нужно сразу же отметить - понять сущность процессов обмена веществ в клетке ПРОСТО НЕВОЗМОЖНО, не понимая, как минимум двух вещей:
1. Представления о сопряжённых реакциях.
2. Представления о хемоосмотическом синтезе АТФ (гипотеза Митчела): электрохимический градиент ионов водорода обеспечивает синтез АТФ. Энергетически выгодный процесс перехода ионов Н+ через особые каналы СОПРЯЖЁН с передачей части энергии на синтез АТФ АТФазой. Читайте Митчелл и его догадка

Так, диффузия протонов через мембраны тилакоидов или внутренние мембраны митохондрий сопряжена с синтезом АТФ.
В чём же единая точка зрения?
А в двух моментах:
1. АТФ синтезируется только через диффузию ионов Н+. (По умному: синтез АТФ сопряжён с переносом Н+ по электрохимическому градиенту).
2. Накачка ионами Н+ СОПРЯЖЕНА не только с диализом воды (при фотосинтезе), но и с переносом электронов по цепи из белков в мембране (кристы митохондрии или тилакоида хлоропласта):
Единая точка зрения, с которой МОЖНО И НУЖНО объяснять синтез АТФ при фотосинтезе и дыхании следующий:



В СВОЁМ ДВИЖЕНИИ ПО ТРАНСПОРТНОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОНЫ, ТРАТЯТ ЧАСТЬ ЭНЕРГИИ НА ЗАКАЧКУ МАТРИКСА ИОНАМИ ВОДОРОДА
О невозможности игнорировать такое понятие, как сопряжение химических реакций, написано в данной статье: "Приведённые факты свидетельствуют о непонимании авторами учебников методологической роли понятия сопряжения, содержание которого во многом определяет применение и развитие понятия "окислительно-восстановительной реакции".


Изложение светового этапа фотосинтеза не для профильных классов.


Картинку пришлось нарисовать самому. Хорошая иллюстрация есть в профильном учебнике Теремова, Петросовой "Биология 10 класс" на странице 108, но ложкой дёгтя явилось представление миру мифического вещества НАДФН2 (см. мою статью Мифическое вещество из школьного учебника. Пришлось его заменить на реальное НАДФН.


1. В результате улавливания кванта света пигментами (хлорофиллы, каротиноиды, фикобилины (у некоторых водорослей)) возникают возбуждённые электроны. Энергия в конце концов передается молекуле хлорофилла а на особом участке - реакционном центре фотосинтеза.
2. Часть возбуждённых электронов из молекул хлорофилла а на этих особых участках, движутся по особым электронно-транспортным цепям. При этом они:
- создают локальный положительный заряд (если отрицательный заряд смещается, то возникает положительный заряд
- отдают часть энергии молекуле воды
В результате передачи положительного заряда и части энергии происходит диализ молекулы воды: Н2О + 2е = 2Н+ + О2.
Другими словами, энергетически выгодный транспорт возбуждённого электрона СОПРЯЖЁН с передачей части энергии и положительного заряда молекуле воды с образованием О2 и Н+.

3. Эти же электроны, продолжая перемещаться по электронно-транспортной цепи отдают часть энергии на выкачивание протонов Н+ из матрикса тилакоидов в межмембранное пространство. Движение электронов СОПРЯЖЕНО с накачкой матрикса тилакоидов Н+. Сам возбуждённый электрон в конце концов передаётся молекуле хлорофилла а.

3. Часть других возбуждённых электронов, двигаясь по электронной цепи, движутся по ферментам другой электронно-транспортной цепи и, в конце концов, восстанавливают НАДФ+ до НАДФН. Отрицательный заряд вместе с ними также передаётся молекуле НАДФ+.

4. В результате процессов, описанных выше, в матриксе тилакоидов накапливаются ионы Н+ и создаётся хемоосмотический градиент.

5. Протоны Н+ стремятся обратно в матрикс тилакоида и проходят через АТФ-синтазу.


Здесь мы видим по крайней мере два различных типа сопряжения:
1. Сопряжение фотоокисления воды (молекула воды отдаёт электроны) с восстановлением НАДФ+ до НАДФН.
2. Сопряжение светоиндуцируемого транспорта электронов с синтезом АТФ.


Изложение синтеза АТФ на дыхательной цепи не для профильных классов.


Что касается упрощённого, но более-менее адекватного изложения процесса синтеза АТФ на дыхательной цепи, то это прекрасно изложили здесь.

1. Образующиеся в реакциях катаболизма НАДН и ФАДН2 передают атомы водорода (т.е. протоны водорода и электроны) на ферменты дыхательной цепи.

2. Электроны движутся по ферментам дыхательной цепи и теряют энергию.

3. Эта энергия используется на выкачивание протонов Н+ из матрикса в межмембранное пространство.

4. В конце дыхательной цепи электроны попадают на кислород и восстанавливают его до воды.

5. Протоны Н+ стремятся обратно в матрикс кристы митохондрии и проходят через АТФ-синтазу.

6. При этом они теряют энергию, которая используется для синтеза АТФ.


Другими словами, энергетически выгодный транспорт электронов от НАДН по электронно-транспортной цепи СОПРЯЖЁН с образованием ионов Н+, создающих электрохимический потенциал.


Остаётся добавить цитату из приведённой выше статьи о гипотезе Митчела:
"По схеме Митчела роль дыхания в синтезе АТФ ограничивается созданием избытка Н+ на одной стороне мембраны по сравнению с другой ее стороной. Дыхание как бы сгущает, концентрирует ионы Н+ в одном из двух отсеков системы, разделенных мембраной. Это означает, что оно совершает осмотическую работу. Затем осмотическая энергия, накопленная в виде разности концентраций ионов Н+ между левым и правым отсеками, расходуется на химическую работу, то есть на синтез АТФ."




Кто может изложить, проще, НО БЕЗ ОШИБОК. Пожалуйста. Милости просим. Пока не приходилось встречать более простое объяснение, но с серией ошибок.

В заключение без разжёвывания:
Баланс:
Одна молекула НАДН при окислении в дыхательной цепи обеспечивает синтез трёх молекул АТФ из АДФ.
Одна молекула ФАДН при окислении в дыхательной цепи обеспечивает синтез двух молекул АТФ из АДФ.

А теперь мы можем нормально посчитать баланс:
Гликолиз - 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДН
Декарбоксилирование пирувата (продукт гликолиза) - одна молекула НАД
Цикл Кребса - одна молекула АТФ (в энергетическом эквиваленте в виде ГТФ), три молекулы НАДН и одна молекула ФАДН.
Учитываем, что из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пирувата.
В итоге, мы, наконец-то сможем понять, почему благодаря энергии расщепления одной молекулы глюкозы синтезируется 38 молекул АТФ из АДФ. Считаем, и в итоге понимаем, что и откуда.


НЕ СЛОЖНЕЕ, ЧЕМ ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА ЗА 11 КЛАСС.

Кто думает, что слишком сложно - отвечу. Это - ПРЕДЕЛЬНО ПРОСТО. Самое простое изложение. Без вникания в два типа фотосистем и конкретики устройства электронно-транспортных цепей.
Вот пример чуть более сложной схемы световой фазы фотосинтеза с учётом существования двух различных видов реакционных центров в фотосистемах.


Обычно в учебниках профильных уровнях тема фотосинтеза излагается сложнее с привлечением рассмотрения двух типов фотосистем.
К сожалению, также с ошибками.
Но об этом - в другой раз.


    avatar 16.04.2015 | 07:04
    Валерий Чернухин Пользователь

    Вторая критическая ошибка данного плаката: она изображает ЯКОБЫ ДВА РАЗНЫХ способа синтеза АТФ: на цепи переноса электронов и через протонную АТФазу. В действительности же в хлоропластах АТФ синтезируется ТОЛЬКО через хемоосмосис, то есть через протонный градент.


     

    avatar 13.04.2015 | 05:25
    Валерий Чернухин Пользователь

    Вот пример ОШИБОЧНОГО изложения световой фазы фотосинтеза. На данном плакате проигнорировано очень энергоёмкое вещество - НАДФН, энергия которого и восстановительный потенциал также критически важными оказываются для синтеза глюкозы. В связи с игнорированием роли НАДФН, запись участия атомов водорода в синтезе глюкозы ТОЛЬКО ЗАПУТЫВАЕТ школьников.


     

Дата регистрации: 19.07.2011
Комментарии:
2
Просмотров 111
Сказали спасибо 0
Сказать спасибо
footer logo © Образ–Центр, 2019. 12+