В фотосинтезирующих организмах (семинар).

Цель занятия. Получить современные представления о механизме преобразования в фотосинтезе солнечной энергии в химическую энергию органических соединений, а также овладеть навыками разделения и анализа пигментов фотосинтетического аппарата растений.

Содержание занятия:

– контроль выполнения заданий по самоподготовке;

– выполнение заданий тестового контроля;

– решение ситуационных задач;

– участие в выступлении и обсуждении реферативных сообщений;

– контроль усвоения темы путем устного собеседования с преподавателем.

Примерные темы реферативных сообщений по УИРС:

1. Особенности фотосинтеза у бактерий Anoxyphotobacteria.

2. Фотосинтезирующие системы бактерий.

Методические указания к самоподготовке

При подготовке к занятию, используя лекции, учебники и дополнительную литературу, ответьте на вопросы и выполните задания:

1. Объясните сущность фотосинтеза (ФС), напишите его суммарное уравнение.

2. Перечислите фотосинтезирующие организмы.

3. Опишите роль ФС в жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов.

4. Опишите структурную организацию хлоропластов:

а) наружную и внутреннюю мембраны хлоропластов, их функции;

б) строму – матрикс хлоропластов, локализованные в ней ферментные системы; перечислите происходящие в строме метаболические процессы, начиная с реакций фотосинтетической ассимиляции углерода;

в) внутреннюю мембранную (ламеллярную) систему – тилакоиды гран и тилакоиды стромы, внутритилакоидные пространства – люмен и строму.

5. Опишите химический состав хлоропластов, указав содержание в них Н₂О и состав сухого остатка.

6. Отметьте содержание в хлоропластах ДНК и различных видов РНК и дайте объяснение биологической роли нуклеиновых кислот хлоропластов.

7. Охарактеризуйте химический состав тилакоидных мембран, при этом отметьте:

а) особенности липидного состава мембран тилакоидов;

б) белковые компоненты мембран;

в) ассиметрию мембран тилакоидов;

8. Охарактеризуйте пигментные системы как первичные фоторецепторы:

а) напишите структурную формулу хлорофилла а и объясните его структуру;

б) отметьте и объясните функции хлорофиллов как первичных фоторецепторов: поглощение фотона, запасание и миграция энергии молекулами хлорофилла;

в) объясните, в чем заключаются функции каротиноидов в процессе фотосинтеза: антенная, защитная и фотопротекторная.

9. Рассмотрите структурную организацию фотосистемы I (ФС I) и фотосистемы II (ФС II), энергетическое взаимодействие пигментов в антенных комплексах и реакционных центрах фотосистем.

10. Напишите принципиальную схему фотосинтеза.

11. Объясните значение и сущность процессов, происходящих на каждой из стадий фотосинтеза:

1 стадия – физическая;

II стадия – фотохимическая;

III стадия – реакция транспорта электронов;

IV стадия – «темновые» реакции поглощения и восстановления углекислого газа.

12. Напишите схему нециклического (Z-схему) транспорта электронов в хлоропластах с участием ФС I и ФС II.

13. Разберите и объясните процессы, происходящие в ФС I после поглощения кванта света.

14. Разберите механизм процессов в ФС II: образование сильного окислителя для окисления Н₂О до О₂ .

15. Рассмотрите перенос электронов от воды к НАДФ⁺ с участием ФС II, ФС I, цитохромного b/f – комплекса, пластохинонов, пластоцианина, ферредоксина (ФД) и ферредоксин-НАДФ-оксидоредуктазы; сопряжение транспорта электронов с синтезом АТФ.

16. Дайте определение понятию «циклические потоки электронов», где этот процесс осуществляется и при каких условиях преобладает.

17. Изучите механизм фотофосфорилирования:

а) вспомните основные положения хемиосмотической теории П.Митчелла трансформации энергии на сопрягающих мембранах;

б) рассмотрите механизм сопряженного электронного транспорта в мембранах тилакоидов с формированием трансмембранного градиента электрохимического потенциала (∆µН⁺), роль цитохромного b/f-комплекса в формировании;

в) разберите строение и механизм работы АТФ-синтазного комплекса хлоропластов.

18. Изучите С₃ – путь фотосинтеза (цикл Кальвина или пентозофосфатный фотосинтетический цикл):

а) напишите реакции стадии карбоксилирования рибулозобисфосфата;

б) напишите реакции стадии восстановления;

в) дайте представление о регенерации рибулозобисфосфата;

г) напишите схему цикла Кальвина;

д) напишите суммарное уравнение С₃-пути образования 1 молекулы гексозы (глюкозы);

е) объяснить механизмы регуляции цикла Кальвина.

19. Дайте представление о механизме С₄-пути фотосинтеза (цикла Хэтча-Слэка-Карпилова), его значении.

20. Объясните, почему С₄-растения растут гораздо быстрее, чем С₃-растения.

21. Дайте представление о фотодыхании.

Примеры тестов для контроля исходного уровня знаний

Задание 1. Для каждого вопроса подберите наиболее правильный ответ.

1.1. В состав фотосистемы I входят все компоненты, кроме:

А-хлорофиллы антенн; Б-цитохром Р₄₅₀; В-Р₇₀₀; Г-ФД; Е-ФНР.

1.2. Реакции световой фазы фотосинтеза протекают в:

А-плазмалемме; Б-цитозоле; В-мембране тилакоида; Г-люмене;

Д-пероксисомах.

Задание 2. Для каждого вопроса пронумерованного цифрой подберите соответствующий ответ, обозначенный буквенным индексом.

2.1. Установите принадлежность кофакторов фотосинтеза:

1. β-каротин А-Реакционный центр ФС I

2. хлорофилл а Б-Реакционный центр ФС II

3. Р680 В-Пигмент ССК (свето-

собирающего комплекса)

4. Р700 Г-компонент ЭТЦ (электрон-

транспортной цепи)

5. b/f

6. Qp (пластохинон)

2.2. Установите соответствие:

1. укажите один из продуктов А-УДФ-глюкоза

световой фазы ФС Б-АТФ

2. каков редокс потенциал Р700? В-АДФ-глюкоза

3. какой кофермент необходим Г- Сахароза

для синтеза крахмала? Д- +0,52 b

4. Укажите кофермент, необхо-

димый для биосинтеза сахарозы

5. Укажите главную транспортную

форму углеводов в растениях

Задание 3. Выберите комбинацию правильных ответов.

3.1. Переносчиками электронов в ФС1 при нециклическом транспорте являются:

1) ферредоксин; 2) пластоцианин;

3) ферредоксин – НАДФ-оксидоредуктаза; 4) пластохинон

3.2. Процесс, который не относится к реакции световой фазы:

1) фотоокисление воды; 2) фотовосстановление НАДФ⁺;

3) фотофосфорилирование; 4) фиксация СО₂ рибулозобисфосфатом.

Задание 4. Установить правильную последовательность:

4.1. Компонентов акцепторной системы реакционного центра ФС1:

1) F_x (терминальный акцептор FeS – белок, Е^o = + 0,7 в)

2) А_о (первичный электронный акцептор, Е^o = - 1,1 в)

3) Р₇₀₀ (димер хлорофилла, первичный донор электронов в основном состоянии, Е^o = + 0,52в)

4) FA (терминальный акцептор, FeS – белок, Е^o = - 0,6 в)

5) А₁ (вторичный акцептор, филлохинон, Е^o = - 0,9 в)

6) Р₇₀₀ (первичный донор в возбужденном состоянии, Е^o = - 1,2 в)

7) F_B (терминальный акцептор, Е^o = - 0,55 в)

4.2. Циклического потока электронов в ФС1:

1) Р₇₀₀

2) Р⁺₇₀₀

3) ФД (ферредоксин)

4) А_о

5) А₁

6) F_B

7) F_х

8) F_А

9) ПЦ (пластоцианин)

10) ПХ (пластохинон)

11) цитохром b₆

12) цитохром f

 

Примеры ситуационных задач

Задача 1

Фотосинтез протекает в клетках растений, водорослей и фототрофных бактерий. У большинства из них фотосинтез сопровождается использованием в качестве доноров электронов Н₂О и выделением О₂. И только у аноксигенных бактерий Anoxyphotobacteria, вместо Н₂О роль доноров ē могут выполнять некоторые восстановленные соединения, например, Н₂S. Что при этом образуется?

Задача 2

 

С₄-путь (цикл Хетча-Слэка-Карпилова), отличается присутствием дополнительной начальной стадии – фиксации СО₂ в составе оксалоацетата (4С). Эту реакцию катализирует ФЕП-карбоксилаза - более активный фермент, чем рибулозо-дифосфат-карбоксилаза. Но этот путь требует дополнительных стадий и затрат энергии: на фиксацию 1 СО₂ затрачивается 5АТФ вместо 3-х в С₃-пути. Однако С₄-растения (кукуруза, сахарный тростник, сорго, многие сорняки) растут гораздо быстрее, чем С₃-растения (пшеница, рожь, овес, рис и др.). Объясните почему?

 

Эталоны ответов на тесты

1.1. – Б

1.2. – В

2.1. – 1-В; 2-В; 3-Б; 4-А; 5-Г; 6-Г

2.2. – 1-Б; 2-Д; 3-А; 4-В; 5-Г

3.1. – 1,3

3.2. – 4

4.1. –. 3→6→2→5→1→4→7

4.2. – 1→2→4→5→7→8→6→3→10→11→12→9→2