So solárnymi článkami sa tak či onak stretli mnohí z nás. Niekto používal alebo používa solárne panely na výrobu elektriny pre domáce účely, niekto používa malý solárny panel na nabíjanie svojho obľúbeného gadgetu v teréne a niekto určite videl malý solárny článok na mikrokalkulačke. Niektorí mali to šťastie aj navštíviť.

Zamysleli ste sa však niekedy nad tým, ako prebieha proces premeny slnečnej energie na elektrickú? Aký fyzikálny jav je základom fungovania všetkých týchto solárnych článkov? Obráťme sa na fyziku a podrobne pochopme proces generovania.

Od samého začiatku je zrejmé, že zdrojom energie je slnečné svetlo, alebo vedecky povedané, získava sa vďaka fotónom slnečného žiarenia. Tieto fotóny si možno predstaviť ako prúd elementárnych častíc nepretržite sa pohybujúcich od Slnka, z ktorých každá má energiu, a preto celý svetelný tok nesie nejaký druh energie.

Z každého štvorcového metra povrchu Slnka sa nepretržite vyžaruje 63 MW energie vo forme žiarenia! Maximálna intenzita tohto žiarenia spadá do rozsahu viditeľného spektra -.

Vedci teda zistili, že hustota energie toku slnečného svetla vo vzdialenosti 149 600 000 kilometrov od Slnka k Zemi po prechode atmosférou a po dosiahnutí povrchu našej planéty je v priemere približne 900 wattov na meter štvorcový.

Tu môžete túto energiu zobrať a pokúsiť sa z nej získať elektrinu, teda premeniť energiu slnečného svetelného toku na energiu pohybujúcich sa nabitých častíc, inými slovami, na.

Na premenu svetla na elektrinu potrebujeme fotovoltaický menič. Takéto konvertory sú veľmi bežné, nachádzajú sa vo voľnom predaji, sú to takzvané solárne články - fotoelektrické konvertory vo forme doštičiek vyrezaných z kremíka.

Najlepsie su monokrystalicke, maju ucinnost okolo 18%, teda ak ma fotonovy tok zo slnka hustotu energie 900 W/m2, tak mozes pocitat, ze dostanes 160 W elektriny na m2. batérie zostavenej z takýchto článkov.

Funguje tu fenomén nazývaný „fotoelektrický efekt“. Fotoelektrický efekt alebo fotoelektrický efekt- ide o jav emisie elektrónov látkou (jav vyťahovania elektrónov z atómov látky) pod vplyvom svetla alebo iného elektromagnetického žiarenia.

V roku 1900 Max Planck, otec kvantovej fyziky, navrhol, že svetlo sa vyžaruje a absorbuje v oddelených častiach alebo kvantách, ktoré neskôr, konkrétne v roku 1926, chemik Gilbert Lewis nazval „fotóny“.

Každý fotón má energiu, ktorú je možné určiť podľa vzorca E = hv - Planckova konštanta krát frekvencia žiarenia.

V súlade s myšlienkou Maxa Plancka sa jav, ktorý objavil v roku 1887 Hertz a potom v rokoch 1888 až 1890 Stoletov dôkladne skúmal, stal vysvetliteľným. Alexander Stoletov experimentálne študoval fotoelektrický jav a stanovil tri zákony fotoelektrického javu (Stoletovove zákony):

Pri konštantnom spektrálnom zložení elektromagnetického žiarenia dopadajúceho na fotokatódu je saturačný fotoprúd úmerný energetickému osvetleniu katódy (inak: počet fotoelektrónov vyrazených z katódy za 1 s je priamo úmerný intenzite žiarenia).

Maximálna počiatočná rýchlosť fotoelektrónov nezávisí od intenzity dopadajúceho svetla, ale je určená len jeho frekvenciou.

Pre každú látku existuje červená hranica fotoelektrického javu, teda minimálna frekvencia svetla (v závislosti od chemickej povahy látky a stavu povrchu), pod ktorou je fotoelektrický jav nemožný.

Neskôr, v roku 1905, Einstein objasnil teóriu fotoelektrického javu. Ukáže, ako kvantová teória svetla a zákon zachovania a premeny energie dokonale vysvetľujú, čo sa deje a čo sa pozoruje. Einstein napísal rovnicu fotoelektrického javu, za ktorú dostal v roku 1921 Nobelovu cenu:

Pracovná funkcia A tu je minimálna práca, ktorú musí elektrón vykonať, aby opustil atóm látky. Druhým pojmom je kinetická energia elektrónu po výstupe.

To znamená, že fotón je absorbovaný elektrónom atómu, vďaka čomu sa kinetická energia elektrónu v atóme zvyšuje o množstvo energie absorbovaného fotónu.

Časť tejto energie sa minie na výstup elektrónu z atómu, elektrón opustí atóm a dostane možnosť voľne sa pohybovať. A smerovo sa pohybujúce elektróny nie sú nič iné ako elektrický prúd alebo fotoprúd. V dôsledku toho môžeme hovoriť o výskyte EMF v látke v dôsledku fotoelektrického javu.

teda Solárna batéria funguje vďaka fotoelektrickému efektu, ktorý v nej pôsobí. Kam však idú „vyradené“ elektróny vo fotoelektrickom meniči? Fotoelektrický konvertor alebo solárny článok alebo fotočlánok je teda fotoelektrický jav v ňom neobvykle, je to vnútorný fotoelektrický jav a má dokonca špeciálny názov „ventilový fotoelektrický efekt“.

Pôsobením slnečného žiarenia v pn prechode polovodiča dochádza k fotoelektrickému javu a vzniká EMF, ale elektróny neopúšťajú fotobunku, všetko sa deje v blokovacej vrstve, kedy elektróny opúšťajú jednu časť tela, presúvajú sa do jeho ďalšia časť.

Kremík v zemskej kôre tvorí 30 % jej hmotnosti, preto sa používa všade. Zvláštnosť polovodičov vo všeobecnosti spočíva v tom, že nie sú vodičmi ani dielektrikami, ich vodivosť závisí od koncentrácie nečistôt, od teploty a od vystavenia žiareniu.

Pásmová medzera v polovodiči je niekoľko elektrónvoltov, a to je len energetický rozdiel medzi hornou úrovňou valenčného pásma atómov, z ktorého elektróny unikajú, a dolnou úrovňou vodivého pásma. Kremík má zakázané pásmo 1,12 eV – presne toľko, koľko je potrebné na absorbovanie slnečného žiarenia.

Takže prechod p-n. Dopované vrstvy kremíka vo fotobunke tvoria p-n prechod. Tu sa získa energetická bariéra pre elektróny, tie opustia valenčný pás a pohybujú sa len jedným smerom, diery sa pohybujú opačným smerom. Takto sa získava prúd v solárnom článku, teda vzniká elektrina zo slnečného žiarenia.

P-n prechod, vystavený pôsobeniu fotónov, neumožňuje nosičom náboja – elektrónom a dieram – pohybovať sa iným smerom ako len jedným smerom, oddeľujú sa a končia na opačných stranách bariéry. A tým, že je fotovoltaický menič vystavený slnečnému žiareniu pripojený k záťažovému okruhu cez hornú a spodnú elektródu, vytvorí sa vo vonkajšom okruhu.

História skúmania fotosyntézy siaha do augusta 1771, kedy anglický teológ, filozof a amatérsky prírodovedec Joseph Priestley (1733-1804) zistil, že rastliny dokážu „opraviť“ vlastnosti vzduchu, ktorý mení svoje zloženie v dôsledku spaľovania resp. život zvierat. Priestley ukázal, že v prítomnosti rastlín sa „skazený“ vzduch opäť stáva vhodným na spaľovanie a podporu života zvierat.

V priebehu ďalších štúdií Ingenhausa, Senebiera, Saussura, Bussenga a ďalších vedcov sa zistilo, že rastliny, keď sú osvetlené, uvoľňujú kyslík a absorbujú oxid uhličitý zo vzduchu. Rastliny syntetizujú organické látky z oxidu uhličitého a vody. Tento proces sa nazýval fotosyntéza.

Robert Mayer, ktorý objavil zákon zachovania energie, v roku 1845 navrhol, aby rastliny premieňali energiu slnečného žiarenia na energiu chemických zlúčenín vznikajúcich počas fotosyntézy. Podľa neho sa „slnečné lúče šíriace sa vesmírom „zachytia“ a uložia na ďalšie použitie podľa potreby“. Následne ruský vedec K.A. Timiryazev presvedčivo dokázal, že najdôležitejšiu úlohu pri využívaní slnečnej energie rastlinami zohrávajú molekuly chlorofylu prítomné v zelených listoch.

Sacharidy (cukry) vznikajúce pri fotosyntéze sa využívajú ako zdroj energie a stavebný materiál na syntézu rôznych organických zlúčenín v rastlinách a živočíchoch. Vo vyšších rastlinách prebiehajú procesy fotosyntézy v chloroplastoch – špecializovaných organelách rastlinnej bunky premieňajúcich energiu.

Schematické znázornenie chloroplastu je znázornené na obr. jeden.

Pod dvojitým plášťom chloroplastu, ktorý pozostáva z vonkajšej a vnútornej membrány, sa nachádzajú rozšírené membránové štruktúry, ktoré tvoria uzavreté vezikuly nazývané tylakoidy. Tylakoidné membrány pozostávajú z dvoch vrstiev lipidových molekúl, ktoré zahŕňajú makromolekulárne fotosyntetické proteínové komplexy. V chloroplastoch vyšších rastlín sú tylakoidy zoskupené do grana, čo sú stohy diskovitých, sploštených a tesne k sebe pritlačených tylakoidov. Z nich vyčnievajúce intergranálne tylakoidy sú pokračovaním jednotlivých tylakoidov grana. Priestor medzi chloroplastovou membránou a tylakoidmi sa nazýva stróma. Stróma obsahuje RNA, DNA, molekuly chloroplastov, ribozómy, škrobové zrná a množstvo enzýmov, vrátane tých, ktoré zabezpečujú príjem CO2 rastlinami.

Publikácia vznikla s podporou Sushi E'xpress. Spoločnosť Sushi E'xpress poskytuje služby donášky sushi v Novosibirsku. Objednávkou sushi zo Sushi E’xpress rýchlo dostanete chutné a zdravé jedlo vyrobené profesionálnymi kuchármi s použitím tých najčerstvejších produktov najvyššej kvality. Návštevou stránky Sushi E’xpress sa môžete zoznámiť s cenami a zložením ponúkaných roliek, čo vám pomôže rozhodnúť sa pri výbere jedla. Ak chcete zadať objednávku na donášku sushi, zavolajte na číslo 239-55-87

Svetlé a tmavé štádiá fotosyntézy

Podľa moderných koncepcií je fotosyntéza séria fotofyzikálnych a biochemických procesov, v dôsledku ktorých rastliny syntetizujú sacharidy (cukry) pomocou energie slnečného žiarenia. Početné štádiá fotosyntézy sa zvyčajne delia na dve veľké skupiny procesov – svetlé a tmavé fázy.

Svetelné štádiá fotosyntézy je zvykom nazývať súborom procesov, v dôsledku ktorých sa v dôsledku energie svetla syntetizujú molekuly adenozíntrifosfátu (ATP) a vzniká redukovaný nikotínamid adeníndinukleotidfosfát (NADPH), a zlúčenina s vysokým redukčným potenciálom. Molekuly ATP pôsobia v bunke ako univerzálny zdroj energie. Je známe, že energia vysokoenergetických (t.j. energeticky bohatých) fosfátových väzieb molekuly ATP sa využíva vo väčšine biochemických procesov náročných na energiu.

Svetelné procesy fotosyntézy prebiehajú v tylakoidoch, ktorých membrány obsahujú hlavné zložky fotosyntetického aparátu rastlín - komplexy transportujúce svetlo-zberný pigment, proteín a elektrón, ako aj komplex ATP-syntázy, ktorý katalyzuje tvorbu ATP. z adenozíndifosfátu (ADP) a anorganického fosfátu (F i) (ADP + F i → ATP + H 2 O). V dôsledku svetelných štádií fotosyntézy sa teda energia svetla absorbovaná rastlinami ukladá vo forme makroergických chemických väzieb molekúl ATP a silného redukčného činidla NADP H, ktoré sa využívajú na syntézu sacharidov v tzv. temné fázy fotosyntézy.

Temné štádiá fotosyntézy sa zvyčajne označujú ako súbor biochemických reakcií, ktorých výsledkom je asimilácia atmosférického oxidu uhličitého (CO 2) rastlinami a tvorba uhľohydrátov. Cyklus temných biochemických premien vedúcich k syntéze organických zlúčenín z CO2 a vody sa nazýva Calvin-Bensonov cyklus podľa autorov, ktorí rozhodujúcim spôsobom prispeli k štúdiu týchto procesov. Na rozdiel od transportu elektrónov a komplexov ATP syntázy, ktoré sa nachádzajú v tylakoidnej membráne, sú enzýmy, ktoré katalyzujú „temné“ reakcie fotosyntézy, rozpustené v stróme. Keď je chloroplastová membrána zničená, tieto enzýmy sa vymyjú zo strómy, v dôsledku čoho chloroplasty strácajú schopnosť absorbovať oxid uhličitý.

V dôsledku premien množstva organických zlúčenín v Calvin-Bensonovom cykle vzniká z troch molekúl CO 2 a vody v chloroplastoch molekula glyceraldehyd-3-fosfátu, ktorá má chemický vzorec CHO–CHOH–CH 2 O– PO 3 2-. Na jednu molekulu CO 2 obsiahnutú v glyceraldehyd-3-fosfáte sa zároveň spotrebujú tri molekuly ATP a dve molekuly NADP H.

Na syntézu organických zlúčenín v Calvin-Bensonovom cykle sa využíva energia uvoľnená pri hydrolýze makroergických fosfátových väzieb molekúl ATP (reakcia ATP + H 2 O → ADP + F i) a silný redukčný potenciál molekúl NADP H. Hlavná časť molekúl vytvorených v chloroplaste Glyceraldehyd-3-fosfát vstupuje do cytosólu rastlinnej bunky, kde sa premieňa na fruktóza-6-fosfát a glukóza-6-fosfát, ktoré v priebehu ďalších premien tvoria sacharofosfát, prekurzor sacharózy. Z molekúl glyceraldehyd-3-fosfátu zostávajúcich v chloroplaste sa syntetizuje škrob.

Premena energie vo fotosyntetických reakčných centrách

Fotosyntetické komplexy rastlín, rias a fotosyntetických baktérií na premenu energie boli dobre študované. Nainštalované chemické zloženie a priestorovej štruktúry proteínových komplexov transformujúcich energiu, bola objasnená postupnosť procesov transformácie energie. Napriek rozdielom v zložení a molekulárnej štruktúre fotosyntetického aparátu existujú spoločné vzorce v procesoch premeny energie vo fotoreakčných centrách všetkých fotosyntetických organizmov. Vo fotosyntetických systémoch rastlinného aj bakteriálneho pôvodu je jediným štruktúrnym a funkčným článkom fotosyntetického aparátu fotosystém, ktorého súčasťou je svetelná zberná anténa, centrum fotochemickej reakcie a s ním spojené molekuly – nosiče elektrónov.

Najprv zvážte všeobecné zásady premenu energie slnečného svetla, charakteristickú pre všetky fotosyntetické systémy, a potom sa podrobnejšie zastavíme na príklade fungovania fotoreakčných centier a elektrónového transportného reťazca chloroplastov vo vyšších rastlinách.

Anténa na zber svetla (absorpcia svetla, migrácia energie do reakčného centra)

Úplne prvým elementárnym aktom fotosyntézy je absorpcia svetla molekulami chlorofylu alebo pomocnými pigmentmi, ktoré sú súčasťou špeciálneho pigmentovo-proteínového komplexu nazývaného svetlozberná anténa. Anténa na zber svetla je makromolekulárny komplex určený na efektívne zachytávanie svetla. V chloroplastoch obsahuje komplex antény veľké množstvo (až niekoľko stoviek) molekúl chlorofylu a určité množstvo pomocných pigmentov (karotenoidy) silne spojených s proteínom.

Pri jasnom slnečnom svetle absorbuje jedna molekula chlorofylu svetelné kvantá pomerne zriedkavo, v priemere nie viac ako 10-krát za sekundu. Keďže však jedno fotoreakčné centrum predstavuje veľký počet molekúl chlorofylu (200–400), aj pri relatívne nízkej intenzite svetla dopadajúceho na list v podmienkach tieňa, sa reakčné centrum aktivuje pomerne často. Súbor pigmentov absorbujúcich svetlo v skutočnosti zohráva úlohu antény, ktorá vďaka svojej pomerne veľkej veľkosti efektívne zachytáva slnečné svetlo a smeruje svoju energiu do reakčného centra. Tieňomilné rastliny majú tendenciu mať väčšie antény na zber svetla ako rastliny rastúce pri vysokých svetelných podmienkach.

Molekuly chlorofylu sú hlavnými svetlozbernými pigmentmi v rastlinách. a a chlorofyl b absorbuje viditeľné svetlo s vlnovou dĺžkou λ ≤ 700–730 nm. Izolované molekuly chlorofylu absorbujú svetlo len v dvoch relatívne úzkych pásmach slnečného spektra: pri vlnových dĺžkach 660–680 nm (červené svetlo) a 430–450 nm (modrofialové svetlo), čo samozrejme obmedzuje efektivitu využitia celé spektrum slnečného svetla dopadajúceho na zelený list.

Spektrálne zloženie svetla absorbovaného anténou na zber svetla je však v skutočnosti oveľa širšie. Vysvetľuje sa to tým, že absorpčné spektrum agregovaných foriem chlorofylu, ktoré sú súčasťou svetlozbernej antény, je posunuté smerom k dlhším vlnovým dĺžkam. Svetlozberná anténa obsahuje spolu s chlorofylom pomocné pigmenty, ktoré zvyšujú jej účinnosť vďaka tomu, že absorbujú svetlo v tých spektrálnych oblastiach, v ktorých molekuly chlorofylu, hlavného pigmentu svetlozbernej antény, absorbujú svetlo relatívne slabo.

V rastlinách sú pomocné pigmenty karotenoidy, ktoré absorbujú svetlo v rozsahu vlnových dĺžok λ ≈ 450–480 nm; v bunkách fotosyntetických rias sú to červené a modré pigmenty: fykoerytríny v červených riasach (λ ≈ 495–565 nm) a fykokyaníny v modrozelených riasach (λ ≈ 550–615 nm).

Absorpcia svetelného kvanta molekulou chlorofylu (Chl) alebo pomocným pigmentom vedie k jeho excitácii (elektrón prejde na vyššiu energetickú hladinu):

Chl + hν → Chl*.

Energia excitovanej molekuly chlorofylu Chl* sa prenáša na molekuly susedných pigmentov, ktoré ju zase môžu preniesť na iné molekuly svetlozbernej antény:

Chl* + Chl → Chl + Chl*.

Excitačná energia tak môže migrovať cez pigmentovú matricu, kým excitácia nakoniec nedosiahne fotoreakčné centrum P (schématická reprezentácia tohto procesu je znázornená na obr. 2):

Chl* + P → Chl + P*.

Všimnite si, že trvanie existencie molekúl chlorofylu a iných pigmentov v excitovanom stave je veľmi krátke, τ ≈ 10–10–10–9 s. Je teda istá pravdepodobnosť, že na ceste do reakčného centra P sa energia takýchto krátkodobých excitovaných stavov pigmentov môže zbytočne stratiť - rozptýliť do tepla alebo uvoľniť vo forme svetelného kvanta (fenomén fluorescencie). V skutočnosti je však účinnosť migrácie energie do centra fotosyntetickej reakcie veľmi vysoká. V prípade, že je reakčné centrum v aktívnom stave, pravdepodobnosť straty energie je spravidla maximálne 10–15%. Takáto vysoká účinnosť využitia energie slnečného žiarenia je spôsobená skutočnosťou, že anténa na zber svetla je vysoko usporiadaná štruktúra, ktorá zabezpečuje veľmi dobrú interakciu pigmentov medzi sebou. Vďaka tomu je dosiahnutá vysoká rýchlosť prenosu excitačnej energie z molekúl absorbujúcich svetlo do fotoreakčného centra. Priemerný čas „skoku“ excitačnej energie z jedného pigmentu na druhý je spravidla τ ≈ 10–12–10–11 s. Celkový čas migrácie excitácie do reakčného centra zvyčajne nepresahuje 10–10–10–9 s.

Fotochemické reakčné centrum (prenos elektrónov, stabilizácia separovaných nábojov)

Moderným predstavám o štruktúre reakčného centra a mechanizmoch primárnych štádií fotosyntézy predchádzali práce A.A. Krasnovského, ktorý zistil, že v prítomnosti donorov a akceptorov elektrónov možno molekuly chlorofylu excitované svetlom reverzibilne redukovať (prijať elektrón) a oxidovať (darovať elektrón). Následne v rastlinách, riasach a fotosyntetických baktériách Kok, Witt a Duizens objavili špeciálne pigmenty chlorofylovej povahy, nazývané reakčné centrá, ktoré sa oxidujú pôsobením svetla a sú v skutočnosti primárnymi donormi elektrónov pri fotosyntéze.

Fotochemické reakčné centrum P je špeciálny pár (dimér) molekúl chlorofylu, ktoré fungujú ako pasca pre excitačnú energiu putujúcu cez pigmentovú matricu svetlozbernej antény (obr. 2). Rovnako ako kvapalina prúdi zo stien širokého lievika do jeho úzkeho hrdla, energia svetla absorbovaného všetkými pigmentmi svetlozbernej antény smeruje do reakčného centra. Excitácia reakčného centra spúšťa reťaz ďalších premien svetelnej energie počas fotosyntézy.

Postupnosť procesov prebiehajúcich po excitácii reakčného centra P a diagram zodpovedajúcich zmien energie fotosystému sú schematicky znázornené na obr. 3.

Spolu s dimérom chlorofylu P obsahuje fotosyntetický komplex molekuly primárnych a sekundárnych akceptorov elektrónov, ktoré budeme konvenčne označovať symbolmi A a B, ako aj donor primárneho elektrónu, molekulu D. k susednému primárnemu akceptoru elektrónov A :

D(P*A)B → D(P + A –)B.

V dôsledku veľmi rýchleho (t ≈10–12 s) prenosu elektrónov z P* do A sa tak realizuje druhý zásadne dôležitý krok premeny slnečnej energie pri fotosyntéze – separácia náboja v reakčnom centre. V tomto prípade vzniká silné redukčné činidlo A - (donor elektrónu) a silné oxidačné činidlo P + (akceptor elektrónu).

Molekuly P + a A - sú umiestnené v membráne asymetricky: v chloroplastoch je reakčné centrum P + bližšie k povrchu membrány smerom dovnútra tylakoidu a akceptor A - je umiestnený bližšie k vonkajšej strane. Preto v dôsledku fotoindukovanej separácie náboja vzniká na membráne rozdiel v elektrických potenciáloch. Svetlom indukovaná separácia nábojov v reakčnom centre je podobná generovaniu rozdielu elektrického potenciálu v konvenčnej fotobunke. Je však potrebné zdôrazniť, že na rozdiel od všetkých známych a v technológii široko používaných energetických fotokonvertorov je prevádzková účinnosť fotosyntetických reakčných centier veľmi vysoká. Účinnosť separácie náboja v aktívnych fotosyntetických reakčných centrách spravidla presahuje 90–95 % (u najlepších vzoriek fotočlánkov účinnosť nepresahuje 30 %).

Aké mechanizmy zabezpečujú takú vysokú účinnosť premeny energie v reakčných centrách? Prečo sa elektrón prenesený na akceptor A nevráti späť do kladne nabitého oxidovaného centra P +? Stabilizácia separovaných nábojov je zabezpečená najmä sekundárnymi procesmi transportu elektrónov po prechode elektrónu z P* do A. Z redukovaného primárneho akceptora A sa elektrón veľmi rýchlo (za 10–10–10–9 s ) ide na akceptor sekundárnych elektrónov B:

D(P + A –)B → D(P + A)B – .

V tomto prípade dochádza nielen k odstráneniu elektrónu z kladne nabitého reakčného centra P +, ale citeľne klesá aj energia celého systému (obr. 3). To znamená, že na prenos elektrónu do opačný smer(prechod B – → A), bude musieť prekonať dostatočne vysokú energetickú bariéru ΔE ≈ 0,3–0,4 eV, kde ΔE je rozdiel energetickej hladiny pre dva stavy systému, v ktorých sa elektrón nachádza resp. B. Z tohto dôvodu by návrat elektrónu späť z redukovanej molekuly B do oxidovanej molekuly A trval oveľa dlhšie ako pri priamom prechode A - → B. Inými slovami, elektrón sa prenáša v smere dopredu oveľa rýchlejšie ako naopak. Preto po prechode elektrónu na sekundárny akceptor B výrazne klesá pravdepodobnosť jeho návratu späť a rekombinácie s kladne nabitou „dierou“ P +.

Druhým faktorom, ktorý prispieva k stabilizácii separovaných nábojov, je rýchla neutralizácia oxidovaného centra fotoreakcie P+ v dôsledku elektrónu prichádzajúceho na P+ z donoru elektrónu D:

D(P + A)B – → D + (PA)B – .

Po prijatí elektrónu z donorovej molekuly D a návrate do pôvodného redukovaného stavu P, reakčné centrum už nebude schopné prijať elektrón z redukovaných akceptorov, ale teraz je pripravené na opätovné spustenie - darovanie elektrónu vedľa neho umiestnený oxidovaný primárny akceptor A. Ide o sled dejov, ktoré prebiehajú vo fotoreakčných centrách všetkých fotosyntetických systémov.

Chloroplastový elektrónový transportný reťazec

V chloroplastoch vyšších rastlín sa nachádzajú dva fotosystémy: fotosystém 1 (PS1) a fotosystém 2 (PS2), ktoré sa líšia zložením bielkovín, pigmentov a optickými vlastnosťami. Svetlozberná anténa PS1 absorbuje svetlo s vlnovou dĺžkou λ ≤ 700–730 nm a PS2 absorbuje svetlo s vlnovou dĺžkou λ ≤ 680–700 nm. Svetlom indukovaná oxidácia reakčných centier PS1 a PS2 je sprevádzaná ich odfarbením, ktoré je charakterizované zmenami v ich absorpčnom spektre pri λ ≈ 700 a 680 nm. V súlade s ich optickými charakteristikami boli reakčné centrá PS1 a PS2 pomenované P 700 a P 680.

Oba fotosystémy sú vzájomne prepojené prostredníctvom reťazca nosičov elektrónov (obr. 4). PS2 je zdrojom elektrónov pre PS1. Svetlom iniciovaná separácia náboja vo fotoreakčných centrách P 700 a P 680 zabezpečuje prenos elektrónov z vody rozloženej v PS2 do konečného akceptora elektrónov, molekuly NADP+. Elektrónový transportný reťazec (ETC) spájajúci dva fotosystémy zahŕňa plastochinónové molekuly, samostatný elektrónový transportný proteínový komplex (tzv. b/f komplex) a vo vode rozpustný proteín plastocyanín (Pc) ako nosiče elektrónov. Schéma znázorňujúca vzájomné usporiadanie elektrónových transportných komplexov v tylakoidnej membráne a dráhu prenosu elektrónov z vody do NADP + je znázornená na obr. 4.

V PS2 je elektrón prenesený z excitovaného centra P * 680 najprv do primárneho akceptorového feofetínu (Phe) a potom do plastochinónovej molekuly Q A, pevne naviazanej na jeden z PS2 proteínov,

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

Potom sa elektrón prenesie na druhú molekulu plastochinónu Q B a P 680 dostane elektrón od primárneho donoru elektrónu Y:

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

Molekula plastochinónu, ktorej chemický vzorec a umiestnenie v lipidovej dvojvrstvovej membráne je znázornené na obr. 5 je schopný prijať dva elektróny. Po dvojitom spustení reakčného centra PS2 dostane molekula plastochinónu Q B dva elektróny:

Q B + 2е – → Q B 2– .

Záporne nabitá molekula Q B 2– má vysokú afinitu k vodíkovým iónom, ktoré zachytáva zo stromálneho priestoru. Po protonizácii redukovaného plastochinónu Q B 2– (Q B 2– + 2H + → QH 2) vzniká elektricky neutrálna forma tejto molekuly QH 2, ktorá sa nazýva plastochinol (obr. 5). Plastochinol hrá úlohu mobilného nosiča dvoch elektrónov a dvoch protónov: po opustení PS2 sa molekula QH2 môže ľahko pohybovať vo vnútri tylakoidnej membrány, čím poskytuje spojenie medzi PS2 a inými elektrónovými transportnými komplexmi.

Oxidované reakčné centrum PS2 P 680 má výnimočne vysokú elektrónovú afinitu; je veľmi silné oxidačné činidlo. Vďaka tomu sa voda, chemicky stabilná zlúčenina, v PS2 rozkladá. Water splitting complex (WRC) zahrnutý v PS2 obsahuje vo svojom aktívnom centre skupinu mangánových iónov (Mn 2+), ktoré slúžia ako donory elektrónov pre P 680. Darovaním elektrónov do oxidovaného reakčného centra sa ióny mangánu stávajú „akumulátormi“ kladných nábojov, ktoré sa priamo podieľajú na oxidačnej reakcii vody. V dôsledku postupnej štvornásobnej aktivácie reakčného centra P 680 sa v aktívnom centre WRC obsahujúcom Mn nahromadia štyri silné oxidačné ekvivalenty (alebo štyri „diery“) vo forme oxidovaných iónov mangánu (Mn 4+). , ktoré pri interakcii s dvoma molekulami vody katalyzujú rozkladnú reakčnú vodu:

2Mn4+ + 2H20 -> 2Mn2+ + 4H++02.

Po postupnom prenose štyroch elektrónov z WRC do P 680 teda dochádza k synchrónnemu rozkladu dvoch molekúl vody naraz, sprevádzaného uvoľnením jednej molekuly kyslíka a štyroch vodíkových iónov, ktoré vstupujú do intratylakoidného priestoru chloroplastu.

Molekula plastochinolu QH2 vytvorená počas fungovania PS2 difunduje do lipidovej dvojvrstvy tylakoidnej membrány ku komplexu b/f (obr. 4 a 5). Pri zrážke s komplexom b/f sa naň naviaže molekula QH 2 a následne naň prenesie dva elektróny. V tomto prípade pre každú molekulu plastochinolu oxidovanú komplexom b/f sa vo vnútri tylakoidu uvoľnia dva vodíkové ióny. Komplex b/f zase slúži ako donor elektrónov pre plastocyanín (Pc), relatívne malý vo vode rozpustný proteín, ktorého aktívne centrum obsahuje ión medi (redukčné a oxidačné reakcie plastocyanínu sú sprevádzané zmenami v mocenstve medi ión Cu 2+ + e – ↔Cu+). Plastocyanín pôsobí ako spojenie medzi b/f komplexom a PS1. Molekula plastocyanínu sa v tylakoide rýchlo pohybuje a zabezpečuje prenos elektrónov z komplexu b/f do PS1. Z redukovaného plastocyanínu ide elektrón priamo do oxidovaných reakčných centier PS1 – P 700 + (pozri obr. 4). V dôsledku spoločného pôsobenia PS1 a PS2 sa teda dva elektróny z molekuly vody rozloženej v PS2 nakoniec prenesú cez elektrónový transportný reťazec do molekuly NADP +, čím sa vytvorí silné redukčné činidlo NADP H.

Prečo chloroplasty potrebujú dva fotosystémy? Je známe, že fotosyntetické baktérie, ktoré využívajú rôzne organické a anorganické zlúčeniny (napríklad H2S) ako donor elektrónov na redukciu oxidovaných reakčných centier, úspešne fungujú s jedným fotosystémom. Vznik dvoch fotosystémov je s najväčšou pravdepodobnosťou spôsobený tým, že energia jedného kvanta viditeľného svetla nestačí na zabezpečenie rozkladu vody a efektívneho prechodu elektrónu po celej dĺžke reťazca nosných molekúl z vody do NADP. + . Asi pred 3 miliardami rokov sa na Zemi objavili modrozelené riasy alebo sinice, ktoré získali schopnosť využívať vodu ako zdroj elektrónov na redukciu oxidu uhličitého. Teraz sa verí, že PS1 pochádza zo zelených baktérií a PS2 z purpurových baktérií. Potom, čo bol PS2 „zahrnutý“ do jedného elektrónového transportného reťazca spolu s PS1 počas evolučného procesu, bolo možné vyriešiť energetický problém - prekonať pomerne veľký rozdiel v redoxných potenciáloch párov kyslík / voda a NADP + / NADP H. Vznik fotosyntetických organizmov, schopných oxidovať vodu, sa stal jednou z najdôležitejších etáp vo vývoji voľne žijúcich živočíchov na Zemi. Po prvé, riasy a zelené rastliny, ktoré sa „naučili“ oxidovať vodu, ovládli nevyčerpateľný zdroj elektrónov na redukciu NADP+. Po druhé, rozkladom vody naplnili zemskú atmosféru molekulárnym kyslíkom, čím vytvorili podmienky pre rýchly evolučný vývoj organizmov, ktorých energia je spojená s aeróbnym dýchaním.

Spojenie procesov transportu elektrónov s prenosom protónov a syntézou ATP v chloroplastoch

Prenos elektrónu pozdĺž CET je spravidla sprevádzaný poklesom energie. Tento proces možno prirovnať k samovoľnému pohybu telesa pozdĺž naklonenej roviny. Pokles hladiny energie elektrónu pri jeho pohybe po CET vôbec neznamená, že prenos elektrónu je vždy energeticky zbytočný proces. Za normálnych podmienok fungovania chloroplastov väčšina energie uvoľnenej počas transportu elektrónov nevyjde nazmar, ale použije sa na prevádzku špeciálneho komplexu premieňajúceho energiu nazývaného ATP syntáza. Tento komplex katalyzuje energeticky nepriaznivý proces tvorby ATP z ADP a anorganického fosfátu F i (reakcia ADP + F i → ATP + H 2 O). V tejto súvislosti je zvykom hovoriť, že procesy prenosu elektrónov, ktoré poskytujú energiu, sú spojené s procesmi syntézy ATP, ktoré akceptujú energiu.

Procesy transportu protónov zohrávajú najdôležitejšiu úlohu pri zabezpečovaní konjugácie energie v tylakoidných membránach, ako aj vo všetkých ostatných organelách premieňajúcich energiu (mitochondrie, chromatofóry fotosyntetických baktérií). Syntéza ATP úzko súvisí s prenosom troch protónov cez ATP syntázu z tylakoidov (3H v +) do strómy (3H von +):

ADP + F i + 3H in + → ATP + H20 + 3H out +.

Tento proces je možný, pretože v dôsledku asymetrického usporiadania nosičov v membráne vedie fungovanie chloroplastu ETC k akumulácii nadmerného množstva protónov vo vnútri tylakoidu: vodíkové ióny sú absorbované zvonku v štádiách NADP + redukcia a tvorbu plastochinolu a uvoľňujú sa vo vnútri tylakoidov v štádiách rozkladu vody a oxidácie plastochinolu (obr. 4). Osvetlenie chloroplastov vedie k výraznému (100–1000-násobnému) zvýšeniu koncentrácie vodíkových iónov vo vnútri tylakoidov.

Uvažovali sme teda o reťazci dejov, počas ktorých sa energia slnečného žiarenia ukladá vo forme energie vysokoenergetických chemických zlúčenín – ATP a NADP H. Tieto produkty svetelného štádia fotosyntézy sa využívajú v tmavých štádiách na tvorbu organické zlúčeniny (sacharidy) z oxidu uhličitého a vody. Hlavné kroky premeny energie, vedúce k tvorbe ATP a NADP H, zahŕňajú nasledujúce procesy: 1) absorpcia svetelnej energie pigmentmi antény na zber svetla; 2) prenos excitačnej energie do centra fotoreakcie; 3) oxidácia centra fotoreakcie a stabilizácia oddelených nábojov; 4) prenos elektrónov pozdĺž elektrónového transportného reťazca, tvorba NADP H; 5) transmembránový prenos vodíkových iónov; 6) Syntéza ATP.

1. Alberts B., Bray D., Lewis J., Roberts K., Watson J. Molekulárna biológia bunky. T. 1. - M .: Mir, 1994. 2. vyd.
2. Kukushkin A.K., Tichonov A.N. Prednášky o biofyzike fotosyntézy rastlín. – M.: Vydavateľstvo Moskovskej štátnej univerzity, 1988.
3. Nichols D.D. Bioenergetika. Úvod do chemiosmotickej teórie. – M.: Mir, 1985.
4. Skulachev V.P. Energia biologických membrán. – M.: Nauka, 1989.

Ako sa energia slnečného svetla vo svetlej a tmavej fáze fotosyntézy premieňa na energiu chemických väzieb glukózy? Vysvetlite odpoveď.

Odpoveď

Vo svetelnej fáze fotosyntézy sa energia slnečného žiarenia premení na energiu excitovaných elektrónov a následne sa energia excitovaných elektrónov premení na energiu ATP a NADP-H2. V temnej fáze fotosyntézy sa energia ATP a NADP-H2 premieňa na energiu chemických väzieb glukózy.

Čo sa deje počas svetelnej fázy fotosyntézy?

Odpoveď

Elektróny chlorofylu, excitované energiou svetla, idú pozdĺž elektrónových transportných reťazcov, ich energia je uložená v ATP a NADP-H2. Nastáva fotolýza vody, uvoľňuje sa kyslík.

Aké sú hlavné procesy, ktoré prebiehajú počas temnej fázy fotosyntézy?

Odpoveď

Z oxidu uhličitého získaného z atmosféry a vodíka získaného v ľahkej fáze vzniká glukóza vďaka energii ATP získanej v ľahkej fáze.

Aká je funkcia chlorofylu v rastlinnej bunke?

Odpoveď

Chlorofyl sa podieľa na procese fotosyntézy: vo fáze svetla chlorofyl absorbuje svetlo, elektrón chlorofylu prijíma svetelnú energiu, odlomí sa a ide pozdĺž elektrónového transportného reťazca.

Akú úlohu hrajú elektróny chlorofylu pri fotosyntéze?

Odpoveď

Elektróny chlorofylu, excitované slnečným svetlom, prechádzajú cez elektrónové transportné reťazce a odovzdávajú svoju energiu tvorbe ATP a NADP-H2.

V akom štádiu fotosyntézy vzniká voľný kyslík?

Odpoveď

Vo fáze svetla, pri fotolýze vody.

Počas ktorej fázy fotosyntézy prebieha syntéza ATP?

Odpoveď

svetelná fáza.

Čo je zdrojom kyslíka počas fotosyntézy?

Odpoveď

Voda (pri fotolýze vody sa uvoľňuje kyslík).

Rýchlosť fotosyntézy závisí od limitujúcich (limitujúcich) faktorov, medzi ktoré patrí svetlo, koncentrácia oxidu uhličitého, teplota. Prečo sú tieto faktory limitujúce pre reakcie fotosyntézy?

Odpoveď

Svetlo je nevyhnutné pre excitáciu chlorofylu, dodáva energiu pre proces fotosyntézy. Oxid uhličitý je potrebný v temnej fáze fotosyntézy, z neho sa syntetizuje glukóza. Zmena teploty vedie k denaturácii enzýmov, reakcie fotosyntézy sa spomaľujú.

Pri akých metabolických reakciách v rastlinách je oxid uhličitý východiskovou látkou pre syntézu uhľohydrátov?

Odpoveď

v reakciách fotosyntézy.

V listoch rastlín intenzívne prebieha proces fotosyntézy. Vyskytuje sa v zrelých a nezrelých plodoch? Vysvetlite odpoveď.

Odpoveď

Fotosyntéza prebieha v zelených častiach rastlín vystavených svetlu. V šupke zelených plodov teda prebieha fotosyntéza. Vo vnútri plodov a v šupke zrelých (nie zelených) plodov nedochádza k fotosyntéze.

zhrnutie ďalších prezentácií

"Problematika Jednotnej štátnej skúšky z biológie 2013" - Genotyp organizmu. symbiotický vzťah. molekula proteínu. Základné chyby. Tabakový dym. Podobnosti a rozdiely medzi mutačnou a kombinačnou variabilitou. Nukleotid. Koľko buniek sa tvorí v dôsledku meiózy. Proteínové molekuly. Krvná skupina. Downov syndróm. Triplet nukleotidov. Etapy energetického metabolizmu. Biologická konzultácia. krvných doštičiek. Variabilita kombinácie. Schopnosť chemo-autotrofnej výživy.

"Choroby vylučovacieho systému" - Cystitída. Uretritída. diabetická nifropatia. Nefrogénna anémia. Choroba urolitiázy. Pyelonefritída. Hydronefróza. Polycystické ochorenie obličiek. Renálna kolika. Amyloidóza obličiek. Akútne ochorenia orgány vylučovacej sústavy. Prostatitída.

"Obdobie paleogénu" - Podnebie. Podnebie bolo dokonca tropické. Cenozoická éra. Kostnatá ryba. oligocén. Začiatok paleogénu. Svet zvierat. Diatryma. paleogén. Bezzubé vtáky s vejárovým chvostom. vrchný eocén. Paleogénne obdobie.

"Otázky jednotnej štátnej skúšky z biológie" - rozkvet triedy vtákov. Aký druh rozmnožovania je asexuálny. Aká štruktúra chloroplastu obsahuje enzýmy. Vytvorte súlad medzi znakom a orgánom. somatické mutácie. vzhľad tkanív. Vnímanie podráždenia. U stavovcov sa v procese evolúcie zmenil orgán sluchu. Rozbor výsledkov skúšky z biológie. Placentácia. Vznik pľúc. Štruktúra oka. Koľko autozómov je v jadrách somatických buniek.

"Pravidlá zdravého stravovania" - Organizácia jedální s plným cyklom. Implementácia programu. Kura. Výsledky implementácie programu. Proteín. Správna výživa je spôsob života. Zdravá strava. Správna výživa. Výživové teórie. Školské stravovanie. Klasická teória vyváženej výživy. Komplexná reorganizácia školského stravovacieho systému. Diéty. Ciele a zámery programu. Existujú 2 možnosti vypracovania školského stravovacieho plánu.

"Výroba mliečnych výrobkov" - Štúdium kvality mlieka. Stavebníctvo. živočíšny priemysel. Správa z turné. Stanovenie sacharidov v mlieku. Staritsky závod na maslo a syr. Veta. Diela kritikov a analytikov. Vyrobené mlieko. Príspevok veľkého vedca. Príspevok Dmitrija Ivanoviča Mendelejeva k rozvoju mliekarenského priemyslu. Skutočný vedec. Objednať. Vývoj syra. Nápady. Definícia tuku. Vlastnosti zložiek mlieka.