Sokan találkoztunk ilyen vagy olyan módon napelemekkel. Valaki napelemeket használt vagy használ elektromos áram előállítására háztartási célokra, valaki egy kis napelem segítségével tölti kedvenc kütyüjét a terepen, valaki pedig bizonyára látott egy kis napelemet a mikrokalkulátoron. Néhányuknak még volt szerencséje meglátogatni.

De gondoltál már arra, hogyan zajlik a napenergia elektromos energiává alakításának folyamata? Milyen fizikai jelenség áll ezeknek a napelemeknek a működése mögött? Térjünk rá a fizikára, és értsük meg részletesen a generálási folyamatot.

Kezdettől fogva nyilvánvaló, hogy az energiaforrás itt a napfény, vagy tudományos kifejezéssel a napsugárzás fotonjaiból származik. Ezeket a fotonokat a Napból folyamatosan elmozduló elemi részecskék folyamaként képzelhetjük el, amelyek mindegyikének van energiája, ezért a teljes fényáram hordoz valamilyen energiát.

A Nap felületének minden négyzetméteréről folyamatosan 63 MW energia bocsát ki sugárzás formájában! Ennek a sugárzásnak a maximális intenzitása a látható spektrum tartományába esik -.

Tehát a tudósok megállapították, hogy a napfény áramlásának energiasűrűsége a Naptól a Földig 149 600 000 kilométeres távolságban, miután áthaladt a légkörön, és amikor elérte bolygónk felszínét, átlagosan körülbelül 900 watt négyzetméterenként.

Itt veheted ezt az energiát, és megpróbálhatsz belőle áramot nyerni, vagyis a napfényáram energiáját a mozgó töltött részecskék energiájává, más szóval azzá alakíthatod.

Ahhoz, hogy a fényt elektromos árammá alakítsuk, szükségünk van fotovoltaikus átalakító. Az ilyen konverterek nagyon elterjedtek, ingyenesen kaphatók, ezek az úgynevezett napelemek - fotoelektromos konverterek szilíciumból vágott lapkák formájában.

A legjobbak monokristályosak, körülbelül 18%-os hatásfokkal rendelkeznek, vagyis ha a napból érkező fotonfluxus energiasűrűsége 900 W/nm, akkor négyzetméterenként 160 W villamos energiával számolhat. az ilyen cellákból összeállított akkumulátorról.

Itt működik egy jelenség, az úgynevezett "fotoelektromos hatás". Fotoelektromos hatás vagy fotoelektromos hatás- ez egy anyag elektronkibocsátásának jelensége (az elektronok kihúzásának jelensége az anyag atomjaiból) fény vagy bármilyen más elektromágneses sugárzás hatására.

Max Planck, a kvantumfizika atyja még 1900-ban azt javasolta, hogy a fényt külön részekben vagy kvantumokban bocsátják ki és abszorbeálják, amelyeket később, nevezetesen 1926-ban, Gilbert Lewis kémikus "fotonoknak" nevezett el.

Minden fotonnak van energiája, amely az E = hv képlettel határozható meg - Planck-állandó szorozva a sugárzási frekvenciával.

Max Planck elképzelésének megfelelően a Hertz által 1887-ben felfedezett, majd Stoletov által 1888-tól 1890-ig alaposan megvizsgált jelenség megmagyarázhatóvá vált. Alekszandr Sztoletov kísérletileg tanulmányozta a fotoelektromos hatást, és megállapította a fotoelektromos hatás három törvényét (Stoletov törvényei):

A fotokatódra eső elektromágneses sugárzás állandó spektrális összetétele mellett a telítési fotoáram arányos a katód energiamegvilágításával (egyébként: a katódból 1 s alatt kiütő fotoelektronok száma egyenesen arányos a sugárzás intenzitásával).

A fotoelektronok maximális kezdeti sebessége nem függ a beeső fény intenzitásától, hanem csak annak frekvenciája határozza meg.

Minden anyagra van egy piros határérték a fotoelektromos hatásnak, vagyis a fény minimális frekvenciájának (az anyag kémiai természetétől és a felület állapotától függően), amely alatt a fotoelektromos hatás nem lehetséges.

Később, 1905-ben Einstein tisztázta a fotoelektromos hatás elméletét. Megmutatja, hogy a fény kvantumelmélete, valamint az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye hogyan magyarázza meg tökéletesen, mi történik és mit figyelnek meg. Einstein felírta a fotoelektromos hatás egyenletét, amelyért 1921-ben Nobel-díjat kapott:

A munkafüggvény És itt van az a minimális munka, amelyet egy elektronnak el kell végeznie, hogy elhagyja az anyag atomját. A második tag az elektron kinetikus energiája a kilépés után.

Vagyis a fotont az atom elektronja nyeli el, aminek következtében az atomban lévő elektron mozgási energiája az elnyelt foton energiamennyiségével növekszik.

Ennek az energiának egy része az elektronnak az atomból való kilépésére fordítódik, az elektron elhagyja az atomot és lehetőséget kap a szabad mozgásra. Az irányítottan mozgó elektronok pedig nem más, mint elektromos áram vagy fotoáram. Ebből kifolyólag a fotoelektromos hatás hatására EMF előfordulásáról beszélhetünk egy anyagban.

vagyis A napelem a benne ható fotoelektromos hatásnak köszönhetően működik. De hova kerülnek a "kiütött" elektronok a fotoelektromos átalakítóban? A fotoelektromos átalakító vagy a napelem vagy a fotocella tehát szokatlanul lép fel benne a fotoelektromos hatás, ez egy belső fotoelektromos effektus, sőt külön elnevezése „szelepes fotoelektromos hatás”.

A napfény hatására a félvezető pn átmenetében fotoelektromos hatás lép fel, és EMF jelenik meg, de az elektronok nem hagyják el a fotocellát, minden a blokkoló rétegben történik, amikor az elektronok elhagyják a test egyik részét, a annak egy másik része.

A földkéregben lévő szilícium tömegének 30%-a, ezért mindenhol használják. A félvezetők sajátossága általában abban rejlik, hogy nem vezetők és nem dielektrikumok, vezetőképességük a szennyeződések koncentrációjától, a hőmérséklettől és a sugárzás hatásától függ.

A félvezető sávszélessége több elektronvolt, és ez csak az atomok vegyértéksávjának felső szintje, ahonnan az elektronok kikerülnek, és a vezetési sáv alsó szintje közötti energiakülönbség. A szilícium sávszélessége 1,12 eV – éppen ez a napsugárzás elnyeléséhez szükséges.

Tehát p-n átmenet. A fotocellában lévő adalékolt szilíciumrétegek p-n csomópontot alkotnak. Itt energiagát keletkezik az elektronok számára, elhagyják a vegyértéksávot és csak egy irányba mozognak, a lyukak az ellenkező irányba. Így nyerik a napelemben lévő áramerősséget, vagyis a napfényből villamosenergia-termelés történik.

A fotonoknak kitett P-n átmenet nem engedi, hogy a töltéshordozók - elektronok és lyukak - más irányba mozogjanak, csak egy irányba, szétválnak és a gát ellentétes oldalára kerülnek. A terhelési áramkörhöz a felső és alsó elektródákon keresztül csatlakoztatva a napfénynek kitett fotovoltaikus átalakító a külső áramkörben keletkezik.

A fotoszintézis tanulmányozásának története 1771 augusztusáig nyúlik vissza, amikor Joseph Priestley (1733-1804) angol teológus, filozófus és amatőr természettudós felfedezte, hogy a növények képesek „korrigálni” a levegő tulajdonságait, amelyek égés, ill. az állatok életét. Priestley kimutatta, hogy növények jelenlétében a "romlott" levegő ismét alkalmassá válik az égetésre és az állatok életének támogatására.

Ingenhaus, Senebier, Saussure, Bussengo és más tudósok további tanulmányai során azt találták, hogy a növények megvilágítás hatására oxigént bocsátanak ki és szén-dioxidot szívnak fel a levegőből. A növények szén-dioxidból és vízből szerves anyagokat szintetizálnak. Ezt a folyamatot fotoszintézisnek nevezték.

Robert Mayer, aki felfedezte az energiamegmaradás törvényét, 1845-ben azt javasolta, hogy a növények a napfény energiáját alakítsák át a fotoszintézis során keletkező kémiai vegyületek energiájává. Szerinte "az űrben terjedő napsugarakat "befogják" és szükség szerint tárolják további felhasználás céljából. Ezt követően az orosz tudós K.A. Timirjazev meggyőzően bebizonyította, hogy a napenergia növények általi felhasználásában a legfontosabb szerepet a zöld levelekben található klorofill molekulák játsszák.

A fotoszintézis során keletkező szénhidrátok (cukrok) energiaforrásként és építőanyagként hasznosulnak különböző szerves vegyületek szintéziséhez növényekben és állatokban. A magasabb rendű növényekben a fotoszintézis folyamatok a kloroplasztiszokban – egy növényi sejt speciális energiaátalakító organellumáiban – játszódnak le.

A kloroplaszt sematikus ábrázolása az 1. ábrán látható. egy.

A kloroplaszt külső és belső membránjaiból álló kettős héja alatt kiterjedt membránszerkezetek találhatók, amelyek zárt hólyagokat, úgynevezett tilakoidokat képeznek. A tilakoid membránok két réteg lipidmolekulából állnak, amelyek makromolekuláris fotoszintetikus fehérje komplexeket tartalmaznak. A magasabb rendű növények kloroplasztiszában a tilakoidok gránákba csoportosulnak, amelyek korong alakú, lapított és egymáshoz szorosan összenyomott tilakoidok halmazai. A belőlük kiálló intergranális tilakoidok a grana egyes tilakoidjainak folytatásai. A kloroplaszt membrán és a tilakoidok közötti teret stromának nevezik. A sztróma RNS-t, DNS-t, kloroplaszt molekulákat, riboszómákat, keményítőszemcséket és számos enzimet tartalmaz, köztük olyanokat is, amelyek biztosítják a növények CO2 felvételét.

A kiadvány a Sushi E'xpress támogatásával készült. A Sushi E'xpress cég sushi szállítási szolgáltatásokat nyújt Novoszibirszkben. Ha a Sushi E’xpress-től rendel sushit, gyorsan kap egy ízletes és egészséges ételt, amelyet professzionális szakácsok készítenek a legfrissebb, legjobb minőségű termékekből. A Sushi E’xpress weboldalát felkeresve megismerkedhet a kínált tekercsek áraival és összetételével, ami segít az ételválasztásban. Sushi kiszállítás megrendeléséhez hívja a 239-55-87 telefonszámot

A fotoszintézis világos és sötét szakaszai

A modern felfogás szerint a fotoszintézis fotofizikai és biokémiai folyamatok sorozata, melynek eredményeként a növények a napfény energiáját felhasználva szénhidrátokat (cukrokat) szintetizálnak. A fotoszintézis számos szakaszát általában két nagy folyamatcsoportra osztják - világos és sötét fázisokra.

A fotoszintézis fénystádiumait szokás nevezni olyan folyamatok összességének, amelyek eredményeként a fény energiája hatására adenozin-trifoszfát (ATP) molekulák szintetizálódnak és redukált nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát (NADPH) képződik, a nagy redukciós potenciállal rendelkező vegyület. Az ATP molekulák univerzális energiaforrásként működnek a sejtben. Az ATP-molekula nagyenergiájú (azaz energiában gazdag) foszfátkötéseinek energiáját köztudottan a legtöbb energiaigényes biokémiai folyamatban hasznosítják.

A fotoszintézis fényfolyamatai tilakoidokban mennek végbe, amelyek membránja tartalmazza a növények fotoszintetikus apparátusának fő komponenseit - fénygyűjtő pigment-fehérje és elektrontranszport komplexeket, valamint az ATP-szintetáz komplexet, amely katalizálja az ATP képződését. adenozin-difoszfátból (ADP) és szervetlen foszfátból (F i) (ADP + F i → ATP + H 2 O). Így a fotoszintézis fénystádiumai következtében a növények által elnyelt fényenergiát az ATP molekulák makroerg kémiai kötései és a NADP H erős redukálószer formájában raktározzák el, amelyek szénhidrátok szintetizálására szolgálnak az ún. a fotoszintézis sötét szakaszai.

A fotoszintézis sötét szakaszait általában biokémiai reakciók halmazának nevezik, amelyek eredményeként a növények a légköri szén-dioxidot (CO 2 ) asszimilálják, és szénhidrátok képződnek. A CO2-ból és vízből szerves vegyületek szintéziséhez vezető sötét biokémiai átalakulások ciklusát Calvin–Benson ciklusnak nevezik azon szerzők után, akik döntően hozzájárultak e folyamatok tanulmányozásához. A tilakoid membránban elhelyezkedő elektrontranszport és ATP szintáz komplexekkel ellentétben a fotoszintézis "sötét" reakcióit katalizáló enzimek a stromában oldódnak. Amikor a kloroplasztisz membrán megsemmisül, ezek az enzimek kimosódnak a stromából, aminek következtében a kloroplasztiszok elvesztik szén-dioxid-elnyelő képességüket.

A Calvin–Benson körfolyamat során számos szerves vegyület átalakulása eredményeként három CO 2 molekulából és a kloroplasztiszokban vízből gliceraldehid-3-foszfát molekula jön létre, amelynek kémiai képlete CHO–CHOH–CH 2 O–. PO 3 2-. Ugyanakkor a glicerinaldehid-3-foszfátban található CO 2 molekulánként három ATP és két NADP H molekula fogy.

A Calvin–Benson ciklusban a szerves vegyületek szintéziséhez az ATP molekulák makroerg foszfátkötéseinek hidrolízise során felszabaduló energiát (ATP + H 2 O → ADP + F i reakció) és a NADP H molekulák erős redukciós potenciálját használják fel. A kloroplasztban képződő molekulák nagy része Gliceraldehid-3-foszfát a növényi sejt citoszoljába kerül, ahol fruktóz-6-foszfáttá és glükóz-6-foszfáttá alakul, amelyek a további átalakulások során szacharofoszfátot, a szacharóz prekurzorát képezik. A kloroplasztiszban maradó gliceraldehid-3-foszfát molekuláiból keményítő szintetizálódik.

Energiaátalakítás fotoszintetikus reakcióközpontokban

A növények, algák és fotoszintetikus baktériumok fotoszintetikus energiát átalakító komplexeit jól tanulmányozták. Telepítve kémiai összetétel Az energiaátalakító fehérjekomplexek térbeli felépítése, az energiaátalakító folyamatok sorrendjének feltárása. A fotoszintetikus apparátus összetételében és molekuláris szerkezetében mutatkozó különbségek ellenére az összes fotoszintetikus organizmus fotoreakciós központjaiban az energiaátalakítási folyamatokban közös minták vannak. Mind növényi, mind bakteriális eredetű fotoszintetikus rendszerekben a fotoszintetikus apparátus egyetlen szerkezeti és funkcionális kapcsolata fotórendszer, amely magában foglal egy fénygyűjtő antennát, egy fotokémiai reakcióközpontot és a hozzá kapcsolódó molekulákat - elektronhordozókat.

Először fontolja meg Általános elvek a napfény energia átalakítása, amely minden fotoszintetikus rendszerre jellemző, majd részletesebben kitérünk a fotoreakcióközpontok és a kloroplasztiszok elektrontranszport láncának működésére a magasabb rendű növényekben.

Fénygyűjtő antenna (fényelnyelés, energiavándorlás a reakcióközpontba)

A fotoszintézis legelső elemi művelete a fény elnyelése klorofillmolekulák vagy segédpigmentek által, amelyek egy speciális pigment-fehérje komplex, az úgynevezett fénygyűjtő antenna részét képezik. A fénygyűjtő antenna egy makromolekuláris komplexum, amelyet a fény hatékony rögzítésére terveztek. A kloroplasztiszokban az antennakomplex nagyszámú (akár több száz) klorofillmolekulát és bizonyos mennyiségű, a fehérjéhez erősen kapcsolódó segédpigmenteket (karotinoidokat) tartalmaz.

Erős napfényben egyetlen klorofill molekula viszonylag ritkán, átlagosan másodpercenként legfeljebb 10-szer nyeli el a fénykvantumokat. Mivel azonban egy fotoreakcióközpont nagyszámú klorofillmolekulát (200–400) foglal magában, még viszonylag alacsony intenzitású, árnyékolt levélre eső fénynél is, a reakcióközpont meglehetősen gyakran aktiválódik. A fényelnyelő pigmentek együttese valójában egy antenna szerepét tölti be, amely meglehetősen nagy méretének köszönhetően hatékonyan rögzíti a napfényt, és energiáját a reakcióközpontba irányítja. Az árnyékszerető növények általában nagyobb fénygyűjtő antennákkal rendelkeznek, mint a magas fényviszonyok között növekvő növények.

A klorofill-molekulák a fő fénybegyűjtő pigmentek a növényekben. aés klorofill bλ ≤ 700–730 nm hullámhosszú látható fényt nyelnek el. Az izolált klorofillmolekulák csak a napspektrum két viszonylag szűk sávjában nyelnek el fényt: 660-680 nm (vörös fény) és 430-450 nm (kék-ibolya fény) hullámhosszon, ami természetesen korlátozza a napenergia felhasználásának hatékonyságát. egy zöld levélre eső napfény teljes spektruma.

A fénygyűjtő antenna által elnyelt fény spektrális összetétele azonban valójában sokkal szélesebb. Ez azzal magyarázható, hogy a fénygyűjtő antenna részét képező klorofill aggregált formáinak abszorpciós spektruma hosszabb hullámhosszok felé tolódik el. A fénygyűjtő antenna a klorofill mellett segédpigmenteket is tartalmaz, amelyek növelik annak hatékonyságát, mivel azokban a spektrumtartományokban nyelnek el fényt, ahol a klorofill molekulák, a fénygyűjtő antenna fő pigmentje viszonylag gyengén nyeli el a fényt.

A növényekben a segédpigmentek karotinoidok, amelyek a λ ≈ 450–480 nm hullámhossz-tartományban nyelték el a fényt; a fotoszintetikus algák sejtjeiben ezek vörös és kék pigmentek: fikoeritrinek a vörös algákban (λ ≈ 495-565 nm) és fikocianinok a kék-zöld algákban (λ ≈ 550-615 nm).

A fénykvantum klorofill (Chl) molekula vagy segédpigment általi elnyelése annak gerjesztéséhez vezet (az elektron magasabb energiaszintre megy):

Chl + hν → Chl*.

A gerjesztett Chl* klorofill molekula energiája átkerül a szomszédos pigmentek molekuláira, amelyek viszont átadhatják a fénygyűjtő antenna más molekuláinak:

Chl* + Chl → Chl + Chl*.

A gerjesztési energia így átvándorolhat a pigmentmátrixon, amíg a gerjesztés végül el nem éri a P fotoreakcióközpontot (a folyamat sematikus ábrázolása a 2. ábrán látható):

Chl* + P → Chl + P*.

Figyeljük meg, hogy a klorofillmolekulák és más pigmentek gerjesztett állapotban létezésének időtartama nagyon rövid, τ ≈ 10–10–10–9 s. Ezért van bizonyos valószínűsége, hogy a P reakcióközpont felé vezető úton a pigmentek ilyen rövid életű gerjesztett állapotainak energiája haszontalanul elveszhet - hővé disszipálhat, vagy fénykvantum formájában szabadulhat fel (fluoreszcencia jelenség). A valóságban azonban a fotoszintetikus reakcióközpontba történő energiavándorlás hatékonysága nagyon magas. Abban az esetben, ha a reakcióközpont aktív állapotban van, az energiaveszteség valószínűsége általában nem több, mint 10-15%. A napfény energiájának ilyen nagy hatékonysága annak köszönhető, hogy a fénygyűjtő antenna egy rendkívül rendezett szerkezet, amely biztosítja a pigmentek egymás közötti nagyon jó kölcsönhatását. Ennek köszönhetően a fényt elnyelő molekulák gerjesztési energiájának nagy sebessége jut el a fotoreakcióközpontba. A gerjesztési energia egyik pigmentről a másikra való „ugrásának” átlagos ideje általában τ ≈ 10–12–10–11 s. A gerjesztés reakcióközpontba való vándorlási ideje általában nem haladja meg a 10-10-10-9 másodpercet.

Fotokémiai reakcióközpont (elektrontranszfer, leválasztott töltések stabilizálása)

A reakcióközpont szerkezetére és a fotoszintézis elsődleges szakaszainak mechanizmusaira vonatkozó modern elképzeléseket A.A. munkái előzték meg. Krasznovszkij, aki felfedezte, hogy elektrondonorok és akceptorok jelenlétében a fénnyel gerjesztett klorofillmolekulák reverzibilisen redukálhatók (elektront fogadhatnak el) és oxidálhatnak (elektront adhatnak). Ezt követően Kok, Witt és Duizens növényekben, algákban és fotoszintetikus baktériumokban felfedezett speciális klorofill jellegű pigmenteket, úgynevezett reakcióközpontokat, amelyek fény hatására oxidálódnak, és valójában a fotoszintézis elsődleges elektrondonorai.

A P fotokémiai reakcióközpont egy speciális klorofill molekulapár (dimer), amely a fénygyűjtő antenna pigmentmátrixán keresztül vándorló gerjesztési energia csapdájaként működik (2. ábra). Ahogy a folyadék egy széles tölcsér falaiból áramlik a keskeny nyakába, a fénygyűjtő antenna összes pigmentje által elnyelt fény energiája a reakcióközpont felé irányul. A reakcióközpont gerjesztése a fotoszintézis során a fényenergia további átalakulásának láncolatát indítja el.

A P reakciócentrum gerjesztése után lezajló folyamatok sorrendjét, illetve a fotorendszer megfelelő energiaváltozásainak diagramját a 2. ábra mutatja vázlatosan. 3.

A fotoszintetikus komplex a klorofill P dimer mellett primer és szekunder elektronakceptorok molekuláit is tartalmazza, amelyeket hagyományosan A és B szimbólummal fogunk jelölni, valamint az elsődleges elektrondonort, a D molekulát a szomszédos A primer elektronakceptorhoz. :

D(P*A)B → D(P + A –)B.

Így egy nagyon gyors (t ≈10-12 s) elektrontranszfer P*-ból A-ba valósul meg a napenergia fotoszintézis során történő átalakulásának második alapvetően fontos lépése – a reakcióközpontban a töltésleválasztás. Ebben az esetben erős redukálószer A - (elektrondonor) és erős oxidálószer P + (elektronakceptor) keletkezik.

A P + és A - molekulák aszimmetrikusan helyezkednek el a membránban: a kloroplasztiszokban a P + reakciócentrum közelebb van a tilakoid belsejébe néző membrán felületéhez, az A - akceptor pedig közelebb van a külsőhöz. Ezért a fotoindukált töltésszétválás következtében elektromos potenciálkülönbség keletkezik a membránon. A reakcióközpontban a töltések fény által indukált szétválása hasonló a hagyományos fotocellában az elektromos potenciálkülönbség létrehozásához. Hangsúlyozni kell azonban, hogy a technológiában ismert és széles körben használt energia-fotokonverterekkel ellentétben a fotoszintetikus reakcióközpontok működési hatékonysága igen magas. Az aktív fotoszintetikus reakcióközpontokban a töltésleválasztás hatékonysága általában meghaladja a 90–95% -ot (a legjobb fotocellaminták esetében a hatékonyság nem haladja meg a 30%).

Milyen mechanizmusok biztosítják az energiaátalakítás ilyen nagy hatékonyságát a reakcióközpontokban? Miért nem tér vissza az A akceptorba átvitt elektron a P + pozitív töltésű oxidált centrumba? A leválasztott töltések stabilizálását elsősorban az elektrontranszport másodlagos folyamatai biztosítják az elektronnak P*-ból A-ba való átvitelét követően. Az A redukált primer akceptorból egy elektron nagyon gyorsan (10-10-10-9 s alatt) ) a B szekunder elektronakceptorhoz megy:

D(P + A –)B → D(P + A)B – .

Ebben az esetben nemcsak egy elektron eltávolítása következik be a P + pozitív töltésű reakcióközpontból, hanem az egész rendszer energiája is érezhetően csökken (3. ábra). Ez azt jelenti, hogy egy elektron átviteléhez ellentétes irány(B – → A átmenet), le kell győznie egy kellően magas energiagátat ΔE ≈ 0,3–0,4 eV, ahol ΔE a rendszer két olyan állapotának energiaszint-különbsége, amelyekben az elektron az A hordozón, ill. B. Emiatt az elektron visszajuttatása a redukált B molekulából az oxidált A molekulába sokkal több időbe telik, mint a közvetlen A - → B átmenethez. Más szóval, az elektron előrefelé kerül átvitelre. sokkal gyorsabban, mint fordítva. Ezért egy elektronnak a B másodlagos akceptorba való átvitele után jelentősen csökken annak valószínűsége, hogy visszatér a pozitív töltésű "lyukkal" P +.

A második, az elkülönült töltések stabilizálásához hozzájáruló tényező az oxidált P + fotoreakcióközpont gyors semlegesítése a D elektrondonorból P +-ba érkező elektron miatt:

D(P + A)B – → D + (PA)B – .

Miután megkapta az elektront a D donormolekulától, és visszatért eredeti redukált P állapotába, a reakcióközpont már nem tud elektront fogadni a redukált akceptorokból, de készen áll az újraindításra - elektron adományozásra A mellette elhelyezkedő oxidált primer akceptor A. Ez az összes fotoszintetikus rendszer fotoreakciós központjában fellépő események sorozata.

Kloroplaszt elektrontranszport lánc

A magasabb rendű növények kloroplasztiszában két fotorendszer található: az 1. fotorendszer (PS1) és a 2. fotorendszer (PS2), amelyek a fehérjék összetételében, a pigmentek összetételében és az optikai tulajdonságaiban különböznek egymástól. A PS1 fénygyűjtő antenna λ ≤ 700–730 nm hullámhosszú fényt nyel el, a PS2 pedig λ ≤ 680–700 nm hullámhosszúságú fényt. A PS1 és PS2 reakciócentrumok fény által indukált oxidációja elszíneződésükkel jár, amelyet abszorpciós spektrumaik változása jellemez λ ≈ 700 és 680 nm-en. Optikai jellemzőiknek megfelelően a PS1 és PS2 reakcióközpontokat P700-nak és P680-nak nevezték el.

A két fotorendszer elektronhordozók láncán keresztül kapcsolódik egymáshoz (4. ábra). A PS2 a PS1 elektronforrása. A P 700 és P 680 fotoreakcióközpontokban a fény által indított töltésleválasztás biztosítja az elektrontranszfert a PS2-ben lebontott vízből a végső elektronakceptorhoz, a NADP+ molekulához. A két fotorendszert összekötő elektrontranszport lánc (ETC) plasztokinon molekulákat, egy külön elektrontranszport fehérje komplexet (ún. b/f komplexet) és a vízben oldódó plasztocianin (Pc) fehérjét tartalmaz elektronhordozóként. ábrán látható egy diagram, amely szemlélteti az elektrontranszport komplexek kölcsönös elrendeződését a tilakoid membránban és az elektronok vízből NADP +-ba történő átvitelének útját. 4.

A PS2-ben egy elektron a P * 680 gerjesztett központból először a primer akceptor feofetinbe (Phe), majd a Q A plasztokinon molekulába kerül, amely szilárdan kötődik valamelyik PS2 fehérjéhez,

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

Ezután az elektron átkerül a második Q B plasztokinon molekulára, és a P 680 kap egy elektront az elsődleges Y elektrondonortól:

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

A plasztokinon molekula, amelynek kémiai képlete és elhelyezkedése a lipid kettősrétegű membránban az 1. ábrán látható. 5 két elektron befogadására képes. Miután a PS2 reakcióközpont kétszer aktiválódik, a plasztokinon Q B molekula két elektront kap:

Q B + 2е – → Q B 2– .

A negatív töltésű Q B 2– molekula nagy affinitással rendelkezik a hidrogénionokhoz, amelyeket a stromális térből felfog. A redukált plasztokinon Q B 2– (Q B 2– + 2H + → QH 2) protonálódása után ennek a QH 2 molekulának elektromosan semleges formája képződik, amelyet plasztokinolnak neveznek (5. ábra). A plasztokinol két elektronból és két protonból álló mobil hordozó szerepét tölti be: a PS2 elhagyása után a QH2 molekula könnyen mozoghat a tilakoid membránon belül, kapcsolatot biztosítva a PS2 és más elektrontranszport komplexek között.

A PS2 P 680 oxidált reakcióközpont kivételesen magas elektronaffinitással rendelkezik; nagyon erős oxidálószer. Ennek köszönhetően a víz, egy kémiailag stabil vegyület, lebomlik a PS2-ben. A PS2-ben található vízhasító komplex (WRC) aktív központjában mangán ionok csoportját (Mn 2+) tartalmazza, amelyek a P 680 elektrondonoraiként szolgálnak. Az oxidált reakcióközpontnak elektronokat adva a mangánionok pozitív töltések „akkumulátoraivá” válnak, amelyek közvetlenül részt vesznek a víz oxidációs reakciójában. A P 680 reakciócentrum egymást követő négyszeres aktiválása következtében négy erős oxidáló ekvivalens (vagy négy „lyuk”) halmozódik fel a WRC Mn-tartalmú aktív centrumában oxidált mangánionok (Mn 4+) formájában. , amelyek két vízmolekulával kölcsönhatásba lépve katalizálják a víz bomlási reakcióját:

2Mn 4+ + 2H 2O → 2Mn 2+ + 4H + + O 2.

Így a WRC-ből a P 680-ba négy elektron egymás utáni átvitele után egyszerre két vízmolekula szinkron bomlása megy végbe, egy oxigénmolekula és négy hidrogénion felszabadulásával, amelyek bejutnak a kloroplaszt intratilakoid terébe.

A PS2 működése során keletkező plasztokinol QH2 molekula a tilakoid membrán lipid kettős rétegébe diffundál a b/f komplexbe (4. és 5. ábra). A b/f komplexszel való ütközéskor a QH 2 molekula kötődik hozzá, majd két elektront ad át neki. Ebben az esetben minden, a b/f komplex által oxidált plasztokinol molekulához két hidrogénion szabadul fel a tilakoidon belül. A b/f komplex viszont elektrondonorként szolgál a plasztocianin (Pc) számára, egy viszonylag kis vízoldható fehérjéhez, amelynek aktív központja egy réziont tartalmaz (a plasztocianin redukciós és oxidációs reakciói a réz vegyértékének változásával járnak együtt ion Cu 2+ + e – ↔Cu+). A plasztocianin kapocsként működik a b/f komplex és a PS1 között. A plasztocianin molekula gyorsan mozog a tilakoidon belül, biztosítva az elektrontranszfert a b/f komplexből a PS1-be. A redukált plasztocianinból az elektron közvetlenül a PS1 – P 700 + oxidált reakcióközpontjaiba kerül (lásd 4. ábra). Így a PS1 és PS2 együttes hatásának eredményeként a PS2-ben lebomlott vízmolekulából két elektron végső soron az elektrontranszport láncon keresztül a NADP + molekulához kerül, biztosítva a NADP H erős redukálószer képződését.

Miért van szükség a kloroplasztiszoknak két fotorendszerre? Ismeretes, hogy a fotoszintetikus baktériumok, amelyek különféle szerves és szervetlen vegyületeket (például H 2 S) használnak elektrondonorként az oxidált reakciócentrumok redukálására, sikeresen működnek egyetlen fotorendszerrel. Két fotorendszer megjelenése valószínűleg abból adódik, hogy a látható fény egy kvantumának energiája nem elegendő a víz lebomlásához és az elektron hatékony áthaladásához a hordozómolekulák láncán a víztől a NADP-ig. + . Körülbelül 3 milliárd évvel ezelőtt jelentek meg a Földön kék-zöld algák vagy cianobaktériumok, amelyek képessé váltak arra, hogy a vizet elektronforrásként használják fel a szén-dioxid csökkentésére. Jelenleg úgy gondolják, hogy a PS1 zöld baktériumokból, a PS2 pedig lila baktériumokból származik. Miután az evolúciós folyamat során a PS2 egyetlen elektrontranszport láncba „bekerült” a PS1-gyel együtt, lehetővé vált az energiaprobléma megoldása - az oxigén/víz és a NADP +/NADP H párok redoxpotenciáljai közötti meglehetősen nagy különbség leküzdése. A víz oxidálására képes fotoszintetikus organizmusok megjelenése a Föld élővilágának fejlődésének egyik legfontosabb állomása lett. Először is, az algák és a zöld növények, miután "megtanulták" a víz oxidációját, kimeríthetetlen elektronforrást sajátítottak el a NADP + redukciójához. Másodszor, a víz lebontásával molekuláris oxigénnel töltötték meg a Föld légkörét, így megteremtették a feltételeket az aerob légzéssel kapcsolatos energiájú organizmusok gyors evolúciós fejlődéséhez.

Elektrontranszport folyamatok összekapcsolása protontranszferrel és ATP szintézissel kloroplasztiszokban

Az elektron átvitele a CET mentén általában az energia csökkenésével jár. Ez a folyamat a test spontán mozgásához hasonlítható egy ferde sík mentén. Egy elektron energiaszintjének csökkenése a CET mentén történő mozgása során egyáltalán nem jelenti azt, hogy az elektron átvitele mindig energetikailag haszontalan folyamat. A kloroplasztiszok normál működési körülményei között az elektrontranszport során felszabaduló energia nagy része nem megy veszendőbe, hanem az ATP-szintáz nevű speciális energiaátalakító komplex működésére szolgál. Ez a komplex katalizálja az ADP-ből és F i szervetlen foszfátból történő ATP képződésének energetikailag kedvezőtlen folyamatát (ADP + F i → ATP + H 2 O reakció). Ezzel kapcsolatban azt szokás mondani, hogy az elektrontranszport energiaadó folyamatai az ATP-szintézis energiaelfogadó folyamataihoz kapcsolódnak.

A tilakoid membránok energiakonjugációjában a protontranszport folyamatai játsszák a legfontosabb szerepet, csakúgy, mint az összes többi energiakonvertáló organellumban (mitokondriumok, fotoszintetikus baktériumok kromatoforai). Az ATP szintézis szorosan összefügg három proton átvitelével az ATP-szintázon keresztül a tilakoidokból (3H +) a stromába (3H ki +):

ADP + F i + 3H be + → ATP + H 2 O + 3H ki +.

Ez a folyamat azért válik lehetővé, mert a membránban a hordozók aszimmetrikus elrendezése miatt a kloroplaszt ETC működése a tilakoid belsejében felesleges mennyiségű proton felhalmozódásához vezet: a hidrogénionok kívülről abszorbeálódnak a NADP + redukció szakaszaiban. és a plasztokinol képződését, és a tilakoidokon belül szabadulnak fel a vízbomlás és a plasztokinol oxidáció szakaszában (4. ábra). A kloroplasztiszok megvilágítása a tilakoidokon belüli hidrogénionok koncentrációjának jelentős (100-1000-szeres) növekedéséhez vezet.

Tehát egy olyan eseményláncot vettünk figyelembe, amely során a napfény energiája nagy energiájú kémiai vegyületek - ATP és NADP H - energia formájában raktározódik. szerves vegyületek (szénhidrátok) szén-dioxidból és vízből. Az energiaátalakítás fő lépései, amelyek az ATP és NADP H képződéséhez vezetnek, a következő folyamatokat foglalják magukban: 1) a fényenergia elnyelése a fénygyűjtő antenna pigmentjei által; 2) a gerjesztési energia átvitele a fotoreakcióközpontba; 3) a fotoreakcióközpont oxidációja és a szétválasztott töltések stabilizálása; 4) elektrontranszfer az elektrontranszport lánc mentén, NADP H képződése; 5) hidrogénionok transzmembrán transzfere; 6) ATP szintézis.

1. Alberts B., Bray D., Lewis J., Roberts K., Watson J. A sejt molekuláris biológiája. T. 1. - M .: Mir, 1994. 2. kiadás.
2. Kukushkin A.K., Tikhonov A.N. Előadások a növényi fotoszintézis biofizikájából. – M.: Moszkvai Állami Egyetem Kiadója, 1988.
3. Nichols D.D. Bioenergetika. Bevezetés a kemiozmotikus elméletbe. – M.: Mir, 1985.
4. Skulachev V.P. A biológiai membránok energiája. – M.: Nauka, 1989.

Hogyan alakul át a napfény energiája a fotoszintézis világos és sötét fázisában a glükóz kémiai kötéseinek energiájává? Magyarázd meg a választ.

Válasz

A fotoszintézis fényfázisában a napfény energiája a gerjesztett elektronok energiájává, majd a gerjesztett elektronok energiája ATP és NADP-H2 energiájává alakul. A fotoszintézis sötét fázisában az ATP és a NADP-H2 energiája a glükóz kémiai kötéseinek energiájává alakul.

Mi történik a fotoszintézis fényfázisában?

Válasz

A fényenergiával gerjesztett klorofill elektronok az elektronszállító láncokon haladnak végig, energiájuk az ATP-ben és a NADP-H2-ben raktározódik. Megtörténik a víz fotolízise, ​​oxigén szabadul fel.

Melyek a fő folyamatok, amelyek a fotoszintézis sötét fázisában játszódnak le?

Válasz

A légkörből nyert szén-dioxidból és a könnyű fázisban nyert hidrogénből a könnyű fázisban nyert ATP energiája miatt glükóz képződik.

Mi a klorofill funkciója egy növényi sejtben?

Válasz

A klorofil részt vesz a fotoszintézis folyamatában: a fényfázisban a klorofill elnyeli a fényt, a klorofill elektron fényenergiát kap, leszakad és végigmegy az elektronszállító láncon.

Milyen szerepet játszanak a klorofill elektronok a fotoszintézisben?

Válasz

A napfény hatására gerjesztett klorofill elektronok elektronszállító láncokon haladnak keresztül, és energiájukat ATP és NADP-H2 képződésére adják át.

A fotoszintézis melyik szakaszában termelődik szabad oxigén?

Válasz

Világos fázisban, a víz fotolízise során.

A fotoszintézis melyik fázisában játszódik le az ATP szintézis?

Válasz

világos fázis.

Mi az oxigénforrás a fotoszintézis során?

Válasz

Víz (a víz fotolízise során oxigén szabadul fel).

A fotoszintézis sebessége korlátozó (limitáló) tényezőktől függ, köztük a fény, a szén-dioxid koncentráció, a hőmérséklet. Miért korlátozzák ezek a tényezők a fotoszintézis reakcióit?

Válasz

A fény szükséges a klorofill gerjesztéséhez, energiával látja el a fotoszintézis folyamatát. A fotoszintézis sötét fázisában szén-dioxidra van szükség, ebből szintetizálódik a glükóz. A hőmérséklet változása az enzimek denaturálódásához vezet, a fotoszintézis reakciói lelassulnak.

Milyen metabolikus reakciókban a növényekben a szén-dioxid a szénhidrátok szintézisének kiindulási anyaga?

Válasz

a fotoszintézis reakcióiban.

A növények leveleiben a fotoszintézis folyamata intenzíven zajlik. Érett és éretlen gyümölcsökben fordul elő? Magyarázd meg a választ.

Válasz

A fotoszintézis a növények fénynek kitett zöld részeiben megy végbe. Így a fotoszintézis a zöld gyümölcsök héjában megy végbe. A gyümölcs belsejében és az érett (nem zöld) gyümölcsök héjában nem megy végbe a fotoszintézis.

egyéb előadások összefoglalója

"Az egységes biológia államvizsga kérdései 2013" - A szervezet genotípusa. szimbiotikus kapcsolat. fehérje molekula. Alapvető hibák. Dohányfüst. Hasonlóságok és különbségek a mutációs és a kombinatív variabilitás között. Nukleotid. Hány sejt keletkezik a meiózis következtében. Fehérje molekulák. Vércsoport. Down-szindróma. Nukleotidok hármasa. Az energia-anyagcsere szakaszai. Biológiai konzultáció. vérlemezkék. Kombinációs változékonyság. A kemo-autotróf táplálkozás képessége.

"A kiválasztó rendszer betegségei" - Cisztitis. Urethritis. diabetikus niphropathia. Nefrogén vérszegénység. Urolithiasis betegség. Pyelonephritis. Hidronephrosis. Policisztás vesebetegség. Vesekólika. A vesék amiloidózisa. Akut betegségek a kiválasztó rendszer szervei. Prosztatagyulladás.

"Paleogén időszak" - Éghajlat. Az éghajlat még trópusi is volt. kainozoikus korszak. Szálkás hal. Oligocén. A paleogén kezdete. Állatvilág. Diatryma. Paleogén. Legyezőfarkú fogatlan madarak. Felső eocén. Paleogén időszak.

"Az egységes biológia államvizsga kérdései" - A Madár osztály virágkora. Milyen szaporodás az ivartalan. Milyen szerkezetű kloroplaszt tartalmaz enzimeket. Hozzon létre megfeleltetést a jel és az orgona között. szomatikus mutációk. szövetek megjelenése. Az irritáció észlelése. A gerinceseknél a hallás szerve megváltozott az evolúció során. A biológia vizsga eredményeinek elemzése. Placentation. A tüdő megjelenése. A szem szerkezete. Hány autoszóma van a szomatikus sejtek magjában.

„Egészséges táplálkozás szabályai” – Teljes ciklusú étkezdék szervezése. Program végrehajtása. Csirke. A program végrehajtásának eredményei. Fehérje. A megfelelő táplálkozás életforma. Egészséges étel. Megfelelő táplálkozás. Táplálkozási elméletek. Iskolai étkezés. A kiegyensúlyozott táplálkozás klasszikus elmélete. Az iskolai étkeztetés rendszerének átfogó átalakítása. Diéták. A program céljai és célkitűzései. Az iskolai étkezési terv elkészítésére 2 lehetőség van.

"Tejtermékek előállítása" - A tej minőségének vizsgálata. Építkezés. állattenyésztés. Túrabeszámoló. A tej szénhidráttartalmának meghatározása. Staritsky vaj- és sajtüzem. Mondat. Kritikusok és elemzők munkái. Tejet termelt. A nagy tudós hozzájárulása. Dmitrij Ivanovics Mengyelejev hozzájárulása a tejipar fejlődéséhez. Igazi tudós. Rendelés. Sajt fejlesztés. Ötletek. A zsír meghatározása. A tej összetevőinek tulajdonságai.