Mnogi od nas su na ovaj ili onaj način naišli na solarne ćelije. Neko je koristio ili koristi solarne panele za proizvodnju električne energije za kućne potrebe, neko koristi mali solarni panel za punjenje svog omiljenog uređaja na terenu, a neko je sigurno vidio malu solarnu ćeliju na mikrokalkulatoru. Neki su čak imali sreće da posjete.

Ali jeste li ikada razmišljali o tome kako se odvija proces pretvaranja sunčeve energije u električnu energiju? Koji fizički fenomen leži u osnovi rada svih ovih solarnih ćelija? Okrenimo se fizici i detaljno razumijemo proces generiranja.

Od samog početka je očigledno da je izvor energije ovdje sunčeva svjetlost, odnosno, naučno rečeno, dobijena je od fotona sunčevog zračenja. Ovi fotoni se mogu zamisliti kao tok elementarnih čestica koje se neprekidno kreću od Sunca, od kojih svaka ima energiju, pa stoga cijeli svjetlosni tok nosi neku vrstu energije.

Sa svakog kvadratnog metra površine Sunca neprekidno se emituje 63 MW energije u obliku zračenja! Maksimalni intenzitet ovog zračenja pada na opseg vidljivog spektra -.

Dakle, naučnici su utvrdili da gustoća energije toka sunčeve svjetlosti na udaljenosti od Sunca do Zemlje od 149.600.000 kilometara, nakon prolaska kroz atmosferu, i po dolasku na površinu naše planete, u prosjeku iznosi približno 900 vati po kvadratnom metru.

Ovdje možete uzeti ovu energiju i pokušati iz nje dobiti električnu energiju, odnosno pretvoriti energiju sunčevog svjetlosnog toka u energiju pokretnih nabijenih čestica, drugim riječima, u.

Za pretvaranje svjetlosti u električnu energiju, potrebno nam je fotonaponski pretvarač. Takvi pretvarači su vrlo česti, nalaze se u slobodnoj prodaji, to su takozvane solarne ćelije - fotoelektrični pretvarači u obliku ploča izrezanih od silicija.

Najbolji su monokristalni, imaju efikasnost od oko 18%, odnosno ako fluks fotona od sunca ima gustinu energije od 900 W/m2, onda možete računati na 160 W električne energije po kvadratnom metru baterije sastavljene od takvih ćelija.

Ovdje je na djelu fenomen koji se zove "fotoelektrični efekat". Fotoelektrični efekat ili fotoelektrični efekat- ovo je fenomen emisije elektrona tvari (fenomen izvlačenja elektrona iz atoma tvari) pod utjecajem svjetlosti ili bilo kojeg drugog elektromagnetnog zračenja.

Davne 1900. godine Maks Plank, otac kvantne fizike, sugerisao je da se svetlost emituje i apsorbuje u odvojenim delovima ili kvantima, koje će kasnije, tačnije 1926. godine, hemičar Gilbert Luis nazvati "fotoni".

Svaki foton ima energiju koja se može odrediti formulom E = hv - Planckova konstanta puta frekvencija zračenja.

U skladu sa idejom Maxa Plancka, fenomen koji je 1887. otkrio Hertz, a potom temeljito istraživao od 1888. do 1890. Stoletov, postao je objašnjiv. Aleksandar Stoletov je eksperimentalno proučavao fotoelektrični efekat i ustanovio tri zakona fotoelektričnog efekta (Stoletovljevi zakoni):

Sa konstantnim spektralnim sastavom elektromagnetnog zračenja koje pada na fotokatodu, fotostruja zasićenja je proporcionalna energetskom osvjetljenju katode (inače: broj fotoelektrona koji se izbace iz katode u 1 s je direktno proporcionalan intenzitetu zračenja).

Maksimalna početna brzina fotoelektrona ne zavisi od intenziteta upadne svetlosti, već je određena samo njenom frekvencijom.

Za svaku tvar postoji crvena granica fotoelektričnog efekta, odnosno minimalna frekvencija svjetlosti (ovisno o kemijskoj prirodi tvari i stanju površine), ispod koje je fotoelektrični efekat nemoguć.

Kasnije, 1905. godine, Ajnštajn će razjasniti teoriju fotoelektričnog efekta. On će pokazati kako kvantna teorija svjetlosti i zakon održanja i transformacije energije savršeno objašnjavaju ono što se događa i što se promatra. Ajnštajn je zapisao jednačinu za fotoelektrični efekat, za šta je dobio Nobelovu nagradu 1921:

Radna funkcija A evo minimalnog rada koji elektron treba da uradi da bi napustio atom supstance. Drugi član je kinetička energija elektrona nakon izlaska.

To jest, foton je apsorbiran od strane elektrona atoma, zbog čega se kinetička energija elektrona u atomu povećava za količinu energije apsorbiranog fotona.

Dio ove energije troši se na izlazak elektrona iz atoma, elektron napušta atom i dobiva priliku da se slobodno kreće. A elektroni koji se kreću u smjeru nisu ništa drugo do električna struja ili fotostruja. Kao rezultat toga, možemo govoriti o pojavi EMF-a u tvari kao rezultat fotoelektričnog efekta.

To je, Solarna baterija radi zahvaljujući fotoelektričnom efektu koji djeluje u njoj. Ali gdje idu "izbijeni" elektroni u fotoelektričnom pretvaraču? Fotoelektrični pretvarač ili solarna ćelija ili fotoćelija je, dakle, fotoelektrični efekat u njemu nastaje neobično, to je unutrašnji fotoelektrični efekat, pa čak ima i poseban naziv "fotoelektrični efekat ventila".

Pod dejstvom sunčeve svetlosti u p-n spoju poluprovodnika nastaje fotoelektrični efekat i pojavljuje se EMF, ali elektroni ne napuštaju fotoćeliju, sve se dešava u blokirnom sloju, kada elektroni napuste jedan deo tela, krećući se u drugi deo toga.

Silicijum u zemljinoj kori čini 30% njegove mase, pa se koristi svuda. Posebnost poluvodiča općenito leži u činjenici da oni nisu ni provodnici ni dielektrici, njihova provodljivost ovisi o koncentraciji nečistoća, o temperaturi i o izloženosti zračenju.

Pojasni pojas u poluprovodniku je nekoliko elektron-volti, a to je samo energetska razlika između gornjeg nivoa valentnog pojasa atoma iz kojeg izlaze elektroni i donjeg nivoa vodljivog pojasa. Silicijum ima pojas od 1,12 eV - upravo ono što je potrebno da apsorbuje sunčevo zračenje.

Dakle, p-n tranzicija. Dopirani silicijumski slojevi u fotoćeliji formiraju p-n spoj. Ovdje se dobija energetska barijera za elektrone, oni napuštaju valentni pojas i kreću se samo u jednom smjeru, rupe se kreću u suprotnom smjeru. Tako se dobija struja u solarnoj ćeliji, odnosno generisanje električne energije iz sunčeve svetlosti.

P-n spoj, izložen fotonima, ne dozvoljava nosiocima naboja - elektronima i rupama - da se kreću u bilo kojem drugom smjeru osim samo u jednom smjeru, odvajaju se i završavaju na suprotnim stranama barijere. Budući da je povezan na strujni krug preko gornje i donje elektrode, fotonaponski pretvarač, izložen sunčevoj svjetlosti, stvarat će se u vanjskom kolu.

Istorija proučavanja fotosinteze datira još od avgusta 1771. godine, kada je engleski teolog, filozof i prirodnjak amater Joseph Priestley (1733-1804) otkrio da biljke mogu "ispraviti" svojstva zraka koji mijenja svoj sastav kao rezultat sagorijevanja ili zivot zivotinja. Priestley je pokazao da, u prisustvu biljaka, "pokvareni" vazduh ponovo postaje pogodan za sagorevanje i za održavanje života životinja.

U toku daljih istraživanja Ingenhausa, Senebiera, Saussurea, Bussenga i drugih naučnika, ustanovljeno je da biljke, kada su osvetljene, oslobađaju kiseonik i apsorbuju ugljen-dioksid iz vazduha. Biljke sintetiziraju organske tvari iz ugljičnog dioksida i vode. Ovaj proces je nazvan fotosinteza.

Robert Majer, koji je otkrio zakon održanja energije, sugerisao je 1845. godine da biljke pretvaraju energiju sunčeve svetlosti u energiju hemijskih jedinjenja nastalih tokom fotosinteze. Prema njegovim riječima, "sunčevi zraci koji se šire u svemiru se "hvataju" i čuvaju za dalju upotrebu po potrebi". Nakon toga, ruski naučnik K.A. Timiryazev je uvjerljivo dokazao da najvažniju ulogu u korištenju sunčeve energije od strane biljaka imaju molekuli klorofila prisutni u zelenom lišću.

Ugljikohidrati (šećeri) koji nastaju tokom fotosinteze koriste se kao izvor energije i građevinski materijal za sintezu različitih organskih spojeva u biljkama i životinjama. U višim biljkama procesi fotosinteze odvijaju se u hloroplastima - specijalizovanim organelama biljne ćelije koje pretvaraju energiju.

Šematski prikaz hloroplasta prikazan je na sl. jedan.

Ispod dvostruke ljuske hloroplasta, koja se sastoji od vanjske i unutrašnje membrane, nalaze se proširene membranske strukture koje formiraju zatvorene vezikule zvane tilakoidi. Tilakoidne membrane sastoje se od dva sloja molekula lipida, koji uključuju makromolekularne fotosintetske proteinske komplekse. U hloroplastima viših biljaka, tilakoidi su grupirani u grane, koje su gomile tilakoida u obliku diska, spljoštenih i usko pritisnutih jedan uz drugog. Intergranalni tilakoidi koji strše iz njih su nastavci pojedinačnih tilakoida grane. Prostor između membrane kloroplasta i tilakoida naziva se stroma. Stroma sadrži RNK, DNK, molekule hloroplasta, ribosome, škrobna zrna i brojne enzime, uključujući i one koji osiguravaju unos CO2 od strane biljaka.

Publikacija je nastala uz podršku Sushi E'xpress-a. Kompanija Sushi E'xpress pruža usluge dostave suši u Novosibirsku. Naručivanjem sušija od Sushi E’xpress-a brzo ćete dobiti ukusno i zdravo jelo koje pripremaju profesionalni kuhari koristeći najsvježije proizvode najvišeg kvaliteta. Posjetivši Sushi E’xpress web stranicu, možete se upoznati sa cijenama i sastavom ponuđenih rolata, što će Vam pomoći da se odlučite za izbor jela. Za narudžbu za dostavu suši pozovite 239-55-87

Svetle i tamne faze fotosinteze

Prema modernim konceptima, fotosinteza je niz fotofizičkih i biohemijskih procesa, kao rezultat kojih biljke sintetiziraju ugljikohidrate (šećere) koristeći energiju sunčeve svjetlosti. Brojne faze fotosinteze obično se dijele u dvije velike grupe procesa – svijetle i tamne faze.

Uobičajeno je da se svjetlosne faze fotosinteze nazivaju skupom procesa, uslijed kojih se, zahvaljujući energiji svjetlosti, sintetiziraju molekule adenozin trifosfata (ATP) i formira reducirani nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADPH), a spoj sa visokim potencijalom redukcije. Molekuli ATP-a djeluju kao univerzalni izvor energije u ćeliji. Poznato je da se energija visokoenergetskih (tj. energetski bogatih) fosfatnih veza molekula ATP-a koristi u većini biohemijskih procesa koji troše energiju.

Svjetlosni procesi fotosinteze odvijaju se u tilakoidima, čije membrane sadrže glavne komponente fotosintetskog aparata biljaka - pigmentno-proteinski i elektronski transportni kompleksi koji sakupljaju svjetlost, kao i kompleks ATP-sintaze, koji katalizira stvaranje ATP-a. od adenozin difosfata (ADP) i neorganskog fosfata (F i) (ADP + F i → ATP + H 2 O). Dakle, kao rezultat svjetlosnih faza fotosinteze, energija svjetlosti koju biljke apsorbiraju pohranjuje se u obliku makroergijskih hemijskih veza molekula ATP-a i jakog redukcionog agensa NADP H, koji se koriste za sintezu ugljikohidrata u tzv. tamne faze fotosinteze.

Tamne faze fotosinteze obično se nazivaju skupom biokemijskih reakcija, kao rezultat kojih biljke asimiliraju atmosferski ugljični dioksid (CO 2) i nastaju ugljikohidrati. Ciklus tamnih biohemijskih transformacija koje dovode do sinteze organskih jedinjenja iz CO2 i vode naziva se Calvin-Bensonov ciklus po imenima autora koji su dali odlučujući doprinos proučavanju ovih procesa. Za razliku od transporta elektrona i kompleksa ATP sintaze, koji se nalaze u tilakoidnoj membrani, enzimi koji katalizuju "tamne" reakcije fotosinteze otopljeni su u stromi. Kada se membrana kloroplasta uništi, ovi enzimi se ispiru iz strome, uslijed čega kloroplasti gube sposobnost apsorpcije ugljičnog dioksida.

Kao rezultat transformacije niza organskih jedinjenja u Calvin-Bensonovom ciklusu, od tri molekule CO 2 i vode u hloroplastima nastaje molekul gliceraldehid-3-fosfata, koji ima hemijsku formulu CHO–CHOH–CH2O –PO 3 2-. Istovremeno, tri molekula ATP i dva NADP H molekula troše se na jedan molekul CO 2 koji je uključen u gliceraldehid-3-fosfat.

Za sintezu organskih jedinjenja u Calvin-Bensonovom ciklusu koristi se energija oslobođena tokom hidrolize makroergijskih fosfatnih veza molekula ATP (reakcija ATP + H 2 O → ADP + F i) i snažan redukcijski potencijal NADP H molekula Glavni dio molekula formiranih u hloroplastu Gliceraldehid-3-fosfat ulazi u citosol biljne ćelije, gdje se pretvara u fruktozo-6-fosfat i glukoza-6-fosfat, koji se u daljnjim transformacijama, formiraju saharofosfat, prekursor saharoze. Od molekula gliceraldehid-3-fosfata preostalih u hloroplastu, sintetizira se škrob.

Konverzija energije u fotosintetskim reakcionim centrima

Fotosintetski kompleksi biljaka, algi i fotosintetskih bakterija koji pretvaraju energiju dobro su proučavani. Instalirano hemijski sastav i prostorne strukture proteinskih kompleksa koji transformišu energiju, razjašnjen je redosled procesa transformacije energije. Uprkos razlikama u sastavu i molekularnoj strukturi fotosintetskog aparata, postoje zajednički obrasci u procesima konverzije energije u fotoreakcionim centrima svih fotosintetskih organizama. U fotosintetskim sistemima biljnog i bakterijskog porijekla, jedinstvena je strukturna i funkcionalna karika fotosintetskog aparata. fotosistema, koji uključuje antenu za prikupljanje svjetlosti, fotokemijski reakcioni centar i molekule povezane s njim - nosače elektrona.

Prvo razmislite opšti principi konverzija sunčeve energije, karakteristična za sve fotosintetske sisteme, a zatim ćemo se detaljnije zadržati na primjeru funkcionisanja fotoreakcionih centara i lanca transporta elektrona hloroplasta u višim biljkama.

Antena za prikupljanje svjetlosti (apsorpcija svjetlosti, migracija energije u reakcioni centar)

Prvi elementarni čin fotosinteze je apsorpcija svjetlosti od strane molekula klorofila ili pomoćnih pigmenata koji su dio posebnog pigmentno-proteinskog kompleksa koji se naziva antena za prikupljanje svjetlosti. Antena za prikupljanje svjetlosti je makromolekularni kompleks dizajniran za efikasno hvatanje svjetlosti. U hloroplastima, antenski kompleks sadrži veliki broj (do nekoliko stotina) molekula hlorofila i određenu količinu pomoćnih pigmenata (karotenoida) koji su snažno povezani sa proteinom.

Na jakoj sunčevoj svjetlosti, jedan molekul hlorofila apsorbira kvante svjetlosti relativno rijetko, u prosjeku ne više od 10 puta u sekundi. Međutim, pošto jedan fotoreakcioni centar čini veliki broj molekula hlorofila (200-400), čak i pri relativno niskom intenzitetu svetlosti koja pada na list u uslovima senčenja, reakcioni centar se aktivira prilično često. Skup pigmenata koji apsorbiraju svjetlost, zapravo, igra ulogu antene, koja zbog svoje prilično velike veličine efikasno hvata sunčevu svjetlost i usmjerava svoju energiju u reakcioni centar. Biljke koje vole sjenu obično imaju veće antene za prikupljanje svjetlosti od biljaka koje rastu u uvjetima jakog osvjetljenja.

Molekuli klorofila su glavni pigmenti koji sakupljaju svjetlost u biljkama. a i hlorofil b apsorbuje vidljivu svetlost talasne dužine λ ≤ 700–730 nm. Izolovani molekuli hlorofila apsorbuju svetlost samo u dva relativno uska pojasa Sunčevog spektra: na talasnim dužinama od 660–680 nm (crveno svetlo) i 430–450 nm (plavo-ljubičasto svetlo), što, naravno, ograničava efikasnost korišćenja cijeli spektar sunčeve svjetlosti pada na zeleni list.

Međutim, spektralni sastav svjetlosti koju apsorbira antena za prikupljanje svjetlosti je zapravo mnogo širi. Ovo se objašnjava činjenicom da je apsorpcioni spektar agregiranih oblika hlorofila, koji su dio antene za prikupljanje svjetlosti, pomjeren prema dužim valnim dužinama. Uz hlorofil, antena za prikupljanje svjetlosti uključuje i pomoćne pigmente koji povećavaju njenu efikasnost zbog činjenice da apsorbiraju svjetlost u onim spektralnim područjima u kojima molekule klorofila, glavni pigment antene za prikupljanje svjetlosti, relativno slabo apsorbiraju svjetlost.

U biljkama, pomoćni pigmenti su karotenoidi koji apsorbuju svetlost u opsegu talasnih dužina λ ≈ 450–480 nm; u ćelijama fotosintetskih algi to su crveni i plavi pigmenti: fikoeritrini u crvenim algama (λ ≈ 495–565 nm) i fikocijanini u plavo-zelenim algama (λ ≈ 550–615 nm).

Apsorpcija kvanta svjetlosti molekulom klorofila (Chl) ili pomoćnim pigmentom dovodi do njegove ekscitacije (elektron prelazi na viši energetski nivo):

Chl + hν → Chl*.

Energija pobuđene molekule klorofila Chl* prenosi se na molekule susjednih pigmenata, koji je zauzvrat mogu prenijeti na druge molekule antene koja sakuplja svjetlost:

Chl* + Chl → Chl + Chl*.

Energija ekscitacije može migrirati kroz pigmentnu matricu sve dok ekscitacija na kraju ne dođe do fotoreakcionog centra P (šematski prikaz ovog procesa je prikazan na slici 2):

Chl* + P → Chl + P*.

Imajte na umu da je trajanje postojanja molekula hlorofila i drugih pigmenata u pobuđenom stanju vrlo kratko, τ ≈ 10–10–10–9 s. Stoga postoji izvjesna vjerovatnoća da se na putu do reakcionog centra P energija tako kratkotrajnih pobuđenih stanja pigmenata može beskorisno izgubiti – raspršiti se u toplinu ili osloboditi u obliku svjetlosnog kvanta (fenomen fluorescencije). U stvarnosti, međutim, efikasnost migracije energije do fotosintetskog reakcionog centra je vrlo visoka. U slučaju kada je reakcioni centar u aktivnom stanju, vjerovatnoća gubitka energije u pravilu nije veća od 10-15%. Ovako visoka efikasnost korišćenja energije sunčeve svetlosti posledica je činjenice da je antena za prikupljanje svetlosti visoko uređena struktura koja obezbeđuje veoma dobru interakciju pigmenata jedni sa drugima. Zbog toga se postiže visoka brzina prijenosa energije ekscitacije od molekula koji apsorbiraju svjetlost do fotoreakcionog centra. Prosječno vrijeme "skoka" energije pobude s jednog pigmenta na drugi, po pravilu, iznosi τ ≈ 10–12–10–11 s. Ukupno vrijeme migracije ekscitacije u reakcioni centar obično ne prelazi 10–10–10–9 s.

Fotohemijski reakcioni centar (transfer elektrona, stabilizacija odvojenih naelektrisanja)

Modernim idejama o strukturi reakcionog centra i mehanizmima primarnih faza fotosinteze prethodili su radovi A.A. Krasnovsky, koji je otkrio da u prisustvu donora i akceptora elektrona, molekule klorofila pobuđene svjetlošću mogu biti reverzibilno reducirane (prihvatiti elektron) i oksidirati (donirati elektron). Kasnije su u biljkama, algama i fotosintetskim bakterijama Kok, Witt i Duizens otkrili posebne pigmente klorofilne prirode, zvane reakcioni centri, koji se oksidiraju pod djelovanjem svjetlosti i zapravo su primarni donori elektrona tokom fotosinteze.

Fotohemijski reakcioni centar P je poseban par (dimer) molekula hlorofila koji deluju kao zamka za energiju pobude koja luta kroz pigmentnu matricu antene koja sakuplja svetlost (slika 2). Baš kao što tečnost teče od zidova širokog levka do njegovog uskog vrata, energija svetlosti koju apsorbuju svi pigmenti antene koja sakuplja svetlost usmerena je ka reakcionom centru. Ekscitacija reakcionog centra pokreće lanac daljih transformacija svetlosne energije tokom fotosinteze.

Redoslijed procesa koji nastaju nakon pobuđivanja reakcionog centra P i dijagram odgovarajućih promjena energije fotosistema shematski su prikazani na sl. 3.

Uz P dimer hlorofila, fotosintetski kompleks uključuje molekule primarnih i sekundarnih akceptora elektrona, koje ćemo konvencionalno označavati simbolima A i B, kao i primarni donor elektrona, molekulu D. na njegov susjedni primarni akceptor elektrona A. :

D(P*A)B → D(P + A –)B.

Tako se kao rezultat vrlo brzog (t ≈10–12 s) prijenosa elektrona sa P* na A ostvaruje drugi fundamentalno važan korak u konverziji sunčeve energije tokom fotosinteze – razdvajanje naboja u reakcionom centru. U tom slučaju nastaju jak redukcioni agens A - (donor elektrona) i jak oksidant P+ (akceptor elektrona).

Molekuli P + i A - nalaze se u membrani asimetrično: u hloroplastima, reakcioni centar P + je bliži površini membrane okrenutoj unutar tilakoida, a akceptor A - nalazi se bliže van. Stoga, kao rezultat fotoinduciranog razdvajanja naboja, na membrani nastaje razlika u električnim potencijalima. Odvajanje naelektrisanja izazvano svjetlom u reakcionom centru slično je stvaranju razlike električnog potencijala u konvencionalnoj fotoćeliji. Međutim, treba naglasiti da je, za razliku od svih fotokonvertera energije poznatih i široko korištenih u tehnici, efikasnost rada fotosintetskih reakcionih centara vrlo visoka. Efikasnost razdvajanja naboja u aktivnim fotosintetskim reakcionim centrima po pravilu prelazi 90-95% (za najbolje uzorke fotoćelija efikasnost ne prelazi 30%).

Koji mehanizmi osiguravaju tako visoku efikasnost konverzije energije u reakcionim centrima? Zašto se elektron prebačen na akceptor A ne vraća nazad u pozitivno nabijeni oksidirani centar P+? Stabilizacija razdvojenih naboja je obezbeđena uglavnom zahvaljujući sekundarnim procesima transporta elektrona nakon transfera elektrona sa P* na A. Iz redukovanog primarnog akceptora A, elektron vrlo brzo (za 10–10–10–9 s ) ide do sekundarnog akceptora elektrona B:

D(P + A –)B → D(P + A)B – .

U tom slučaju ne dolazi samo do uklanjanja elektrona iz pozitivno naelektrisanog reakcionog centra P+, već se primetno smanjuje i energija čitavog sistema (slika 3). To znači da bi se elektron prenio na obrnuti smjer(tranzicija B – → A), moraće da savlada dovoljno visoku energetsku barijeru ΔE ≈ 0,3–0,4 eV, gde je ΔE razlika nivoa energije za dva stanja sistema, u kojima se elektron nalazi na nosaču A ili B. Iz tog razloga da bi se elektron vratio nazad, sa redukovane molekule B na oksidirani molekul A, bilo bi potrebno mnogo više vremena nego za direktni prijelaz A - → B. Drugim riječima, elektron se prenosi u smjeru naprijed mnogo brže nego u obrnutom smeru. Stoga, nakon prijenosa elektrona na sekundarni akceptor B, vjerovatnoća njegovog povratka nazad i rekombinacije sa pozitivno nabijenom "rupom" P+ značajno opada.

Drugi faktor koji doprinosi stabilizaciji odvojenih naboja je brza neutralizacija oksidiranog fotoreakcionog centra P+ zbog elektrona koji dolazi u P+ od donora elektrona D:

D(P + A)B – → D + (PA)B – .

Nakon što je primio elektron od donatorske molekule D i vratio se u prvobitno redukovano stanje P, reakcioni centar više neće moći da prihvati elektron iz redukovanih akceptora, ali je sada spreman da ponovo pokrene - donira elektron u oksidirani primarni akceptor A koji se nalazi pored njega.To je slijed događaja koji se dešavaju u fotoreakcionim centrima svih fotosintetskih sistema.

Lanac transporta elektrona hloroplasta

U hloroplastima viših biljaka postoje dva fotosistema: fotosistem 1 (PS1) i fotosistem 2 (PS2), koji se razlikuju po sastavu proteina, pigmenata i optičkim svojstvima. Antena za prikupljanje svjetlosti PS1 apsorbira svjetlost talasne dužine λ ≤ 700–730 nm, a PS2 apsorbuje svetlost talasne dužine λ ≤ 680–700 nm. Oksidacija reakcijskih centara PS1 i PS2 izazvana svjetlom praćena je njihovom promjenom boje, koju karakteriziraju promjene u njihovim apsorpcijskim spektrima na λ ≈ 700 i 680 nm. U skladu sa svojim optičkim karakteristikama, reakcioni centri PS1 i PS2 dobili su nazive P 700 i P 680 .

Dva fotosistema su međusobno povezana putem lanca nosilaca elektrona (slika 4). PS2 je izvor elektrona za PS1. Odvajanje naelektrisanja inicirano svjetlom u fotoreakcionim centrima P 700 i P 680 osigurava prijenos elektrona iz vode razložene u PS2 do konačnog akceptora elektrona, NADP+ molekula. Lanac transporta elektrona (ETC) koji povezuje dva fotosistema uključuje molekule plastokinona, poseban kompleks proteina za transport elektrona (tzv. b/f kompleks) i vodotopivi protein plastocijanin (Pc) kao nosače elektrona. Na sl. 4.

U PS2, elektron se iz pobuđenog centra P * 680 prenosi prvo na primarni akceptor feofetina (Phe), a zatim na molekulu plastokinona Q A, čvrsto vezan za jedan od proteina PS2,

Y(P* 680 Phe)Q A Q B → Y(P + 680 Phe –)Q A Q B → Y(P + 680 Phe)Q A – Q B .

Zatim se elektron prenosi na drugu molekulu plastokinona Q B, a P 680 prima elektron od primarnog donora elektrona Y:

Y(P + 680 Phe)Q A – Q B → Y + (P 680 Phe)Q A Q B – .

Molekul plastokinona, čija je hemijska formula i lokacija u lipidnoj dvoslojnoj membrani prikazana na Sl. 5 može prihvatiti dva elektrona. Nakon što se reakcioni centar PS2 dvaput aktivira, molekula plastokinona Q B će primiti dva elektrona:

Q B + 2e – → Q B 2– .

Negativno nabijena molekula Q B 2– ima visok afinitet za vodikove jone, koje hvata iz stromalnog prostora. Nakon protonacije redukovanog plastohinona Q B 2– (Q B 2– + 2H + → QH 2), formira se električni neutralni oblik ovog QH 2 molekula, koji se naziva plastohinol (slika 5). Plastohinol igra ulogu mobilnog nosača dva elektrona i dva protona: nakon napuštanja PS2, molekula QH2 može se lako kretati unutar tilakoidne membrane, osiguravajući vezu između PS2 i drugih kompleksa za transport elektrona.

Oksidirani reakcioni centar PS2 P 680 ima izuzetno visok afinitet prema elektronima; je veoma jak oksidant. Zbog toga se voda, hemijski stabilno jedinjenje, raspada u PS2. Kompleks za cijepanje vode (WRC) uključen u PS2 sadrži u svom aktivnom centru grupu jona mangana (Mn 2+), koji služe kao donori elektrona za P 680 . Donirajući elektrone oksidiranom reakcionom centru, ioni mangana postaju "akumulatori" pozitivnih naboja, koji su direktno uključeni u reakciju oksidacije vode. Kao rezultat uzastopne četverostruke aktivacije reakcionog centra P 680, četiri jaka oksidirajuća ekvivalenta (ili četiri "rupe") akumuliraju se u aktivnom centru WRC-a koji sadrži Mn u obliku oksidiranih jona mangana (Mn 4+) , koji u interakciji s dvije molekule vode katalizuju reakciju razgradnje vode:

2Mn 4+ + 2H 2 O → 2Mn 2+ + 4H + + O 2 .

Dakle, nakon uzastopnog prijenosa četiri elektrona iz WRC-a na P 680, dolazi do sinhrone dekompozicije dvije molekule vode odjednom, praćene oslobađanjem jedne molekule kisika i četiri vodikova iona, koji ulaze u intratilakoidni prostor hloroplasta.

Molekul plastohinola QH2 formiran tokom funkcionisanja PS2 difunduje u lipidni dvosloj tilakoidne membrane do b/f kompleksa (slike 4 i 5). Nakon sudara sa b/f kompleksom, molekul QH 2 se vezuje za njega i zatim mu prenosi dva elektrona. U ovom slučaju, za svaku molekulu plastohinola oksidiranu b/f kompleksom, dva vodikova jona se oslobađaju unutar tilakoida. Zauzvrat, b/f kompleks služi kao donor elektrona za plastocijanin (Pc), relativno mali protein rastvorljiv u vodi čiji aktivni centar uključuje ion bakra (reakcije redukcije i oksidacije plastocijanina su praćene promenama valencije bakra ion Cu 2+ + e – ↔Cu+). Plastocijanin djeluje kao veza između b/f kompleksa i PS1. Molekul plastocijanina se brzo kreće unutar tilakoida, osiguravajući prijenos elektrona iz b/f kompleksa u PS1. Iz redukovanog plastocijanina, elektron ide direktno u oksidirane reakcione centre PS1 – P 700 + (vidi sliku 4). Dakle, kao rezultat zajedničkog djelovanja PS1 i PS2, dva elektrona iz molekule vode razložene u PS2 na kraju se prenose kroz lanac transporta elektrona do NADP + molekule, osiguravajući formiranje jakog redukcionog sredstva NADP H.

Zašto su hloroplastima potrebna dva fotosistema? Poznato je da fotosintetske bakterije, koje koriste različita organska i neorganska jedinjenja (na primjer, H 2 S) kao donor elektrona za smanjenje oksidiranih reakcionih centara, uspješno funkcioniraju s jednim fotosistemom. Pojava dva fotosistema najvjerovatnije je posljedica činjenice da energija jednog kvanta vidljive svjetlosti nije dovoljna da osigura razgradnju vode i efikasan prolazak elektrona cijelim putem duž lanca molekula nosača od vode do NADP-a. + . Prije oko 3 milijarde godina na Zemlji su se pojavile plavo-zelene alge ili cijanobakterije koje su stekle sposobnost korištenja vode kao izvora elektrona za smanjenje ugljičnog dioksida. Sada se vjeruje da je PS1 izveden iz zelenih bakterija, a PS2 od ljubičastih bakterija. Nakon što je PS2 "uključen" u jedan lanac transporta elektrona zajedno sa PS1 tokom evolucijskog procesa, postalo je moguće riješiti energetski problem - prevazići prilično veliku razliku u redoks potencijalima kisika/vode i NADP+/NADP H parova. Pojava fotosintetskih organizama, sposobnih za oksidaciju vode, postala je jedna od najvažnijih faza u razvoju divljeg svijeta na Zemlji. Prvo, alge i zelene biljke, "naučivši" da oksidiraju vodu, ovladale su nepresušnim izvorom elektrona za redukciju NADP+. Drugo, razlaganjem vode ispunili su Zemljinu atmosferu molekularnim kiseonikom i tako stvorili uslove za brzi evolutivni razvoj organizama čija je energija povezana sa aerobnim disanjem.

Povezivanje procesa transporta elektrona s prijenosom protona i sintezom ATP-a u hloroplastima

Prijenos elektrona duž CET-a je, po pravilu, praćen smanjenjem energije. Ovaj proces se može uporediti sa spontanim kretanjem tela duž nagnute ravni. Smanjenje nivoa energije elektrona u toku njegovog kretanja duž CET uopšte ne znači da je prenos elektrona uvek energetski beskoristan proces. U normalnim uslovima funkcionisanja hloroplasta, većina energije koja se oslobađa tokom transporta elektrona ne odlazi u otpad, već se koristi za rad posebnog kompleksa za pretvaranje energije koji se zove ATP sintaza. Ovaj kompleks katalizuje energetski nepovoljan proces stvaranja ATP-a iz ADP-a i neorganskog fosfata F i (reakcija ADP + F i → ATP + H 2 O). S tim u vezi, uobičajeno je reći da su energetski donirajući procesi transporta elektrona povezani sa procesima sinteze ATP-a koji primaju energiju.

Procesi transporta protona imaju najvažniju ulogu u obezbjeđivanju energetske konjugacije u tilakoidnim membranama, kao iu svim drugim organelama koje pretvaraju energiju (mitohondrije, hromatofore fotosintetskih bakterija). Sinteza ATP-a usko je povezana s prijenosom tri protona preko ATP sintaze od tilakoida (3H u +) do strome (3H out +):

ADP + F i + 3H in + → ATP + H 2 O + 3H izlaz +.

Ovaj proces postaje moguć jer, zbog asimetričnog rasporeda nosača u membrani, funkcionisanje ETC kloroplasta dovodi do akumulacije viška količine protona unutar tilakoida: vodikovi ioni se apsorbiraju izvana u fazama NADP + redukcija i formiranje plastohinola i oslobađaju se unutar tilakoida u fazama razgradnje vode i oksidacije plastohinola (sl. 4). Osvjetljenje hloroplasta dovodi do značajnog (100-1000 puta) povećanja koncentracije vodonikovih jona unutar tilakoida.

Dakle, razmatrali smo lanac događaja tokom kojih se energija sunčeve svetlosti pohranjuje u obliku energije visokoenergetskih hemijskih jedinjenja - ATP i NADP H. Ovi proizvodi svetlosnog stadijuma fotosinteze koriste se u tamnim fazama za formiranje organski spojevi (ugljikohidrati) iz ugljičnog dioksida i vode. Glavni koraci konverzije energije, koji dovode do stvaranja ATP i NADP H, obuhvataju sledeće procese: 1) apsorpciju svetlosne energije pigmentima antene koja sakuplja svetlost; 2) prenos energije pobude u fotoreakcioni centar; 3) oksidacija fotoreakcionog centra i stabilizacija odvojenih naelektrisanja; 4) prenos elektrona duž lanca transporta elektrona, formiranje NADP H; 5) transmembranski prenos vodonikovih jona; 6) ATP sinteza.

1. Alberts B., Bray D., Lewis J., Roberts K., Watson J. Molekularna biologija ćelije. T. 1. - M.: Mir, 1994. 2. izd.
2. Kukuškin A.K., Tihonov A.N. Predavanja iz biofizike fotosinteze biljaka. – M.: Izdavačka kuća Moskovskog državnog univerziteta, 1988.
3. Nichols D.D. Bioenergetika. Uvod u hemiosmotičku teoriju. – M.: Mir, 1985.
4. Skulachev V.P. Energija bioloških membrana. – M.: Nauka, 1989.

Kako se energija sunčeve svjetlosti u svjetlosnoj i tamnoj fazi fotosinteze pretvara u energiju kemijskih veza glukoze? Objasnite odgovor.

Odgovori

U svjetlosnoj fazi fotosinteze, energija sunčeve svjetlosti se pretvara u energiju pobuđenih elektrona, a zatim se energija pobuđenih elektrona pretvara u energiju ATP-a i NADP-H2. U tamnoj fazi fotosinteze, energija ATP-a i NADP-H2 pretvara se u energiju hemijskih veza glukoze.

Šta se dešava tokom svetlosne faze fotosinteze?

Odgovori

Elektroni klorofila, pobuđeni energijom svjetlosti, idu duž lanaca transporta elektrona, njihova energija je pohranjena u ATP i NADP-H2. Dolazi do fotolize vode, oslobađa se kiseonik.

Koji su glavni procesi koji se odvijaju tokom mračne faze fotosinteze?

Odgovori

Od ugljičnog dioksida dobivenog iz atmosfere i vodonika dobivenog u svjetlosnoj fazi nastaje glukoza zahvaljujući energiji ATP-a dobivenog u svjetlosnoj fazi.

Koja je funkcija hlorofila u biljnoj ćeliji?

Odgovori

Klorofil je uključen u proces fotosinteze: u svjetlosnoj fazi hlorofil apsorbira svjetlost, elektron hlorofila prima svjetlosnu energiju, odvaja se i ide duž lanca transporta elektrona.

Koju ulogu imaju elektroni klorofila u fotosintezi?

Odgovori

Elektroni klorofila, pobuđeni sunčevom svjetlošću, prolaze kroz lance transporta elektrona i predaju svoju energiju formiranju ATP-a i NADP-H2.

U kojoj fazi fotosinteze nastaje slobodni kiseonik?

Odgovori

U svjetlosnoj fazi, tokom fotolize vode.

U kojoj fazi fotosinteze dolazi do sinteze ATP-a?

Odgovori

svetlosna faza.

Šta je izvor kiseonika tokom fotosinteze?

Odgovori

Voda (kiseonik se oslobađa tokom fotolize vode).

Brzina fotosinteze ovisi o ograničavajućim (ograničavajućim) faktorima, među kojima su svjetlost, koncentracija ugljičnog dioksida, temperatura. Zašto ovi faktori ograničavaju reakcije fotosinteze?

Odgovori

Svetlost je neophodna za pobuđivanje hlorofila, snabdeva energijom za proces fotosinteze. Ugljični dioksid je potreban u tamnoj fazi fotosinteze; iz njega se sintetizira glukoza. Promjena temperature dovodi do denaturacije enzima, usporavaju se reakcije fotosinteze.

U kojim metaboličkim reakcijama u biljkama je ugljični dioksid početna tvar za sintezu ugljikohidrata?

Odgovori

u reakcijama fotosinteze.

U listovima biljaka intenzivno se odvija proces fotosinteze. Da li se javlja u zrelim i nezrelim plodovima? Objasnite odgovor.

Odgovori

Fotosinteza se odvija u zelenim dijelovima biljaka izloženim svjetlosti. Dakle, fotosinteza se događa u kožici zelenih plodova. Unutar ploda i u kožici zrelih (ne zelenih) plodova, fotosinteza se ne dešava.

sažetak ostalih prezentacija

"Pitanja Jedinstvenog državnog ispita iz biologije 2013" - Genotip organizma. simbiotski odnos. Proteinski molekul. Osnovne greške. Duvanski dim. Sličnosti i razlike između mutacijske i kombinativne varijabilnosti. Nukleotid. Koliko ćelija nastaje kao rezultat mejoze. Proteinski molekuli. Krvna grupa. Downov sindrom. Triplet nukleotida. Faze energetskog metabolizma. Konsultacije iz biologije. trombociti. Varijabilnost kombinacije. Sposobnost hemo-autotrofne ishrane.

"Bolesti sistema za izlučivanje" - Cistitis. Uretritis. dijabetička nifropatija. Nefrogena anemija. Urolitijaza bolest. Pijelonefritis. Hidronefroza. Policistična bolest bubrega. Bubrežne kolike. Amiloidoza bubrega. Akutne bolesti organima sistema za izlučivanje. Prostatitis.

"Paleogenski period" - Klima. Klima je bila čak i tropska. Kenozojska era. Koštana riba. oligocen. Početak paleogena. Životinjski svijet. Diatryma. Paleogen. Lepezaste bezube ptice. Gornji eocen. Paleogenski period.

"Pitanja Jedinstvenog državnog ispita iz biologije" - Procvat klase ptica. Koja je vrsta reprodukcije aseksualna. Koja struktura hloroplasta sadrži enzime. Uspostavite korespondenciju između znaka i organa. somatske mutacije. izgled tkiva. Percepcija iritacije. Kod kičmenjaka, organ sluha se promijenio u procesu evolucije. Analiza rezultata ispita iz biologije. Placentacija. Pojava pluća. Struktura oka. Koliko autosoma ima u jezgrima somatskih ćelija.

"Pravila zdrave ishrane" - Organizacija menza punog ciklusa. Implementacija programa. Piletina. Rezultati implementacije programa. Protein. Pravilna ishrana je način života. Zdrava hrana. Pravilna ishrana. Teorije ishrane. Školski obroci. Klasična teorija uravnotežene prehrane. Sveobuhvatna reorganizacija sistema školske ishrane. Dijeta. Ciljevi i zadaci programa. Postoje 2 opcije za izradu plana školskog obroka.

"Proizvodnja mliječnih proizvoda" - Studija kvaliteta mlijeka. Izgradnja. stočarska industrija. Izveštaj sa turneje. Određivanje ugljikohidrata u mlijeku. Fabrika maslaca i sira Staritsky. Ponuda. Radovi kritičara i analitičara. Proizvedeno mlijeko. Doprinos velikog naučnika. Doprinos Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva razvoju mliječne industrije. Pravi naučnik. Red. Razvoj sira. Ideje. Definicija masti. Svojstva sastojaka mlijeka.