Chemia - Chlorofil.pdf - TECHNIKA - moderator132

chemia praktyczna

byłoby za życie.

Bez chlorofilu mogą wege-

tować tylko niektóre bakterie,

które czerpią energię z rozkła-

du siarkowodoru – H 2 S albo

amoniaku – NH 3 aq. Bo cały

tlen zawarty w naszej atmos-

ferze pochodzi z reakcji foto-

syntezy, w której udział chlo-

rofilu jest konieczny.

Bez chlorofilu nie tylko

udusilibyśmy się, ale i zmarli

z głodu. Jarzyny, zboża, owo-

Z zawodu chemik. Z pasji – po-

pularyzator nauki. Z charakteru

nieugięty bojownik o prawdę.

Żołnierz AK, powstaniec war-

szawski. W czasie czynnego ży-

cia zawodowego kierownik Pra-

cowni Badań Jakości Powłok w

Instytucie Mechaniki Precyzyjnej.

Autor wielu prac naukowych i po-

nad 50 książek popularnonauko-

wych. Na tych publikacjach wy-

chowały się już dwa pokolenia

chemików. Już od 1952 roku pi-

sze do „Młodego Technika”.

Stefan Sękowski

A gdyby tak

życie bez chlorofilu?

zaledwie 0,09% skorupy naszej Ziemi. Tak, ale w na-

szym organizmie jest go aż 20%.

Wobec tego, gdzie i w jakiej postaci gromadzi

się węgiel w skorupie ziemskiej, w atmosferze, w hy-

drosferze? Szacunkowo przedstawia się to tak, jak wi-

dać na rysunku . Pomiędzy węglem w CO 2 , a więc

Stefan Sę kowski

z powietrza, a węglem pochodzenia roślinnego zacho-

dzi wymiana, którą określa się na 40 miliardów ton

rocznie.

Dzięki fotosyntezie – z wody i z CO 2 z powietrza

– powstaje rocznie na Ziemi około 100 miliardów ton

związków organicznych. Na lasy i puszcze przypada

z tej „produkcji” aż 60%. A najważniejsze to to, że

pochłanianie przez rośliny CO 2 z powietrza bilansuje

się jak 1:1 z wydzielaniem do atmosfery tlenu.

Fotosynteza nie tylko reguluje cykl krążenia

węgla na Ziemi, ale i szeregu innych pierwiastków

skorupy ziemskiej, takich jak tlenu, azotu i potasu.

Ustalono, że tlen atmos-

fery naszej Ziemi jest

pochodzenia fotosynte-

tycznego. Oszacowana

wydajność fotosyntezy

ce, rośliny okopowe, wszystkie one rozwijają się dzię-

ki fotosyntezie. Nie zapomnijmy w tym miejscu i o ry-

bach żywiących się planktonem, o jakimkolwiek mię-

sie zwierzęcym i oczywiście o jajkach, mleku i jego

przetworach.

Jakie pierwiastki chemiczne dominują w skoru-

pie ziemskiej i w organizmie człowieka? Czy wszędo-

bylski węgiel należy do tej czołówki?

Okazuje się, że zdecydowanie nie. Węgiel led-

wo mieści się w pierwszej dziesiątce, bo zajmuje 9.

miejsce . Dziwna niespodzianka, prawda? Pierwia-

stek, bez którego nie byłoby życia na Ziemi, stanowi

Gdzie, w jakiej postaci i ilości

(w miliardach ton) występuje

węgiel

1. jako węglany w skorupie

ziemskiej – litosfera,

2. jako węglany w ropie naf-

towej i gazie ziemnym –

litosfera,

3. jako kwaśne węglany

w oceanach – hydrosfera,

4. jako CO 2 – atmosfera,

5. jako związki organiczne

w organizmach żywych –

rośliny, zwierzęta

Pierwia-

Zawartość %

w skorupie w organizmie

ziemskiej

stek

człowieka

tlen

krzem

–

glin

–

żelazo

0,004

wapń 3,6

1,5

potas

2,6

0,25

magnez

2,1

0,04

wodór

0,9

węgiel

0,09

fosfor

0,08

1,0

3 4 5

siarka

0,05

0,2

azot

0,03

3,0

Procentowa zawartość 12 pierwias-

tków chemicznych.

25 000 000

80 000

36 000

700

130

T ak, może istnieje, ale co to

na całej kuli ziemskiej wynosi około 2·10 11

ton związanego węgla rocznie, z tym że

około 80% tej ilości przypada na fotosyntezę

fitoplanktonu mórz i oceanów. Rośliny przy-

swajają węgiel w postaci CO 2 i wydzielają

O 2 . Jednocześnie energię światła prze-

kształcają w energię chemiczną powstają-

cych związków organicznych.

Na tym koniec dużych liczb. Ta daw-

ka statystyki nie była chęcią przemiany

„Chemii praktycznej” w „Chemię statys-

tyczną”, ale tylko zasygnalizowała skalę

problemu, który zaraz będziemy omawiać.

Pierwszym trwałym związkiem orga-

nicznym, występującym w procesie przys-

wajania węgla, jest glikoza i powstająca

z niej skrobia. Z tego związku poprzez sze-

reg przekształceń tworzą się inne substan-

cje organiczne. Tę reakcję możemy w skró-

cie przedstawić w taki sposób:

6CO 2 + 6H 2 O –— > C 6 H 12 O 6 + 6O 2

glukoza

Właśnie o takim sumarycznym przebiegu reak-

cji możemy się doświadczalnie przekonać, jeśli zmie-

rzymy ilość pobranego CO 2 i wydzielonego O 2 . Stosu-

nek pobranego CO 2 do wydzielonego O 2 jest równy 1.

Ta reakcja jest zdecydowanie endotermiczna, czyli

energochłonna.

Do wytworzenia 1 cząsteczki glikozy potrzeba

aż 677 000 cal. Tak, przyswajanie węgla jest związa-

ne z doprowadzaniem wprost olbrzymich ilości ener-

gii. A skąd? – a ze Słońca, konkretnie z jego promie-

niowania.

III

Chloroplasty

– struktura chloroplastu: a – przekrój, b – widok na wprost

I – grana, II – stroma, III – skrobia

– różne formy chloroplastów w komórkach:

1. byliny wodnej – moczarki kanadyjskiej,

2. glonu gwiazdnicy,

3. glonu skrętnicy,

4. i 5. – glonu uwikło.

Wszyscy ci gracze, z kapitanami włącznie,

ustawieni są odpowiednio na mikroskopowym boisku.

To boisko jest wyjątkowo skomplikowaną przetwór-

nią fizykochemiczną i nazywa się chloroplastem .

Chloroplasty większości roślin naziemnych ma-

ją kształt soczewkowaty. Inaczej rzecz wygląda u glo-

nów i wodorostów. Te mają różne kształty. Średnica

chloroplastu wynosi około 5 μ m. Składnik chloroplastu

o nazwie grana (I na rys. ) tworzy ruloniki w kształ-

cie dysków i to właśnie w nich zlokalizowane są

cząstki chlorofilu. Ruloniki grana są otoczone bezbar-

wną cieczą. Tę nazywamy stroma (II na rys. ) .

Bardzo ważne miejsce w strukturze chloroplas-

tów zajmują duże, jak na mikroskalę, skupiska skrobi

(III na rys. ) . Zajrzyjmy do wnętrza chloroplastów.

Wiemy już z czego składają się chloroplasty

i wiemy małe co nieco o ich strukturach, kształtach

i o zawartych w nich związkach. Teraz nadeszła pora,

żeby powiedzieć o tym, co się w nich dzieje. To waż-

ne pytanie, ale jednocześnie trudne.

Gdy maluch pyta tatę, skąd się biorą dzieci, to

zaskoczony rodzic bąka coś w rodzaju „przestań dłu-

bać w nosie”.

My też możemy wykręcić się sianem i odesłać

Czytelnika do odpowiedniej encyklopedii . Spróbuj-

my jednak tu pójść na kompromis. Polegać on będzie

na wypośrodkowaniu rzetelnej wiedzy z dostępnością

pojęć.

CHLOROFIL I JEGO DRUŻYNA

Powszechnie panuje przekonanie, że to chlorofil

umożliwia roślinom fotosyntezę, czyli budowanie

zCO 2 iH 2 O wielkiej gamy związków organicznych.

Przy okazji do atmosfery wydzielany jest tlen.

A tymczasem w rzeczywistości sprawa nie jest

aż tak prosta. Bo sam chlorofil, bez swojej drużyny,

jest zupełnie bezradny. Zawartość chlorofilu w rośli-

nach wynosi średnio 1% suchej masy. I, co ważniej-

sze, sam czysty chlorofil nie może dokonać reakcji fo-

tosyntezy. Tę reakcję przeprowadza dopiero cała dru-

żyna związków pod wodzą braci bliźniaków chlorofi-

lu. Nasi kapitanowie należą do rodziny barwników.

Pierwszy bliźniak to chlorofil α , który w stanie su-

chym tworzy ciemnoniebieskie kryształy o temperatu-

rze topnienia 150°C, i drugi bliźniak – chlorofil β . Ten

w stanie suchym tworzy ciemnozielone kryształy

o temperaturze topnienia 183°C.

Dalej w skład drużyny fotosyntezujących wcho-

dzą barwniki karotenowe o kolorze żółtym albo poma-

rańczowym (obecne w soku marchwi), dalej ksantofi-

le, pochodne karotenu i chlorofilu α i różne inne białka

i lipidy.

W chloroplastach panuje pełna harmonia po-

między fizyką, również kwantową, a biochemią i en-

zymami. Polega ona na pobieraniu energii i zasilaniu

nią reakcji chemicznych silnie endotermicznych. Zacz-

nijmy od fizyki.

Podstawą procesów fotochemicznych jest ab-

sorpcja, czyli pochłanianie światła. Światło – jak wie-

my – to strumień cząstek zwanych fotonami niosą-

cych energię, która jest zależna od długości fali. Z od-

powiedniego wzoru obliczono, że im większa jest dłu-

CHLOROPLASTY to ciałka zieleni występujące w komórkach roślinnych, zawierające około 4,7% chlorofilu. W większości

roślin chloroplasty mają kształt soczewkowaty, a ich średnica wynosi około 5 μ m.

Chloroplasty występują woświetlonych, zielonych częściach roślin, np. w miękiszu zieleniowym liścia, w łodydze roślin zie-

lonych, w niedojrzałych owocach. W jednej komórce miękiszu zieleniowego znajduje się kilkanaście do kilkudziesięciu chlo-

roplastów. Na przykład w roślinie o nazwie rącznik na 1 mm 2 liścia przypada około 400 000 chloroplastów. Do ich rozwoju

potrzebne jest światło, warunkują one zjawisko fotosyntezy. Na świetle zachodzi w nich asymilacja CO 2 i synteza węglowo-

danów, które później zostają włączone w procesy przemiany materii organizmu roślinnego.

chemia praktyczna

światło

tylakoidy gran

Encyklopedyczny schemat procesu fotosyntezy

Fotosynteza:

a) schemat fotosyntezy u roślin (typu C-3) wiążących

CO 2 wg cyklu Calvina–Bensona;

b) schemat fotosyntezy u roślin (typu C-4) wiążących

CO 2 wg cyklu Hatcha, Slacka, Kortschaka;

ATP – kwas adenozynotrifosforowy,

NADPH – zredukowana forma fosforanu dinukleotydu

nikotynamidoadeninowego,

PGA – kwas 3-fosfoglicerynowy,

GAP – aldehyd 3-fosfoglicerynowy,

RuP – rybulozo-1,5-bifosforan,

OAA – szczawiooctan,

Py – pirygronian.

chloroplast

H 2

O 2

NADPH

ATP

PGA

GAP

RuBP

pula

CO 2

stroma

ATP

RuP

produkty fotosyntezy

światło

tylakoidy gran

światło

tylakoidy stromy

(bezgranowe)

chloroplast

H 2

O 2

NADPH

ATP

NADPH

ATP

kwas

jabłkowy e –

PGA

CO 2

OAA

skrobia

cykl

Calvina–

Bensona

GAP

PEP

RuBP

CO 2

pula

stroma

pula

ATP

RuP

mezofil

sacharoza

pochwa okołowiązkowa

gość fali świetlnej, tym mniejszą energię niesie jej

kwant. I odwrotnie. Kwanty fal krótszych niosą więcej

energii.

Komórki chloroplastów zawdzięczają swą zielo-

ną barwę chlorofilowi i to dzięki niemu mogą pochła-

niać czerwone długofalowe promieniowanie świetlne.

A jak radzą sobie glony i wodorosty w głębi-

nach mórz? Matka natura i to przewidziała. Na głębo-

kość 15–20 metrów docierają tylko kwanty światła

o barwie niebieskiej. W komórkach chloroplastów glo-

nów i wodorostów obecne są czerwone i żółte bar-

wniki karoteinowe, które doskonale pochłaniają

kwanty światła niebieskiego.

Zacznijmy od pochłaniania energii. Na rys.

mamy uproszczony model etapu fotosyntezy, czyli po-

bierania energii. Na cząsteczki chlorofilu padają foto-

ny światła hv. Energia pochłonięta przez cząsteczki

przekazywana jest do centrum reakcji RC. Tu nastę-

puje zsumowanie energii i przekazywanie jej dalszym

fragmentom chloroplastu w postaci elektronów – .

Na rysunku widzimy uproszczony model

przenoszenia energii pomiędzy cząsteczkami chlorofi-

lu po pochłonięciu fotonu.

w procesie fotosyntezy rolę fotosensibilizatora, to zna-

czy substancji mogącej pochłonąć i zużytkowywać

promienie świetlne do reakcji fotochemicznych, które

nie zajdą przy jego braku. Chlorofil, gdy pochłania

promienie świetlne, ulega pewnym zmianom che-

micznym, a oddając energię reagującym związkom,

powraca do normalnego stanu.

Żeby zredukować CO 2 , do O 2 konieczny jest

wodór i to wodór atomowy, a nie cząsteczkowy. Ten

ostatni powstaje w chloroplastach w wyniku reakcji

fotolizy zgodnie z równaniem:

H 2 O + energia świetlna –—> H+ OH

fotony

centrum reakcyjne,

czyli barwnik zdolny

do przejmowania

energii

cząsteczki

chlorofilu

e –

PRÓBA PODSUMOWANIA

Rośliny mają zdolność wykorzystywania energii

świetlnej do budowy związków organicznych z wody

iCO 2 dzięki obecności chlorofilu. Chlorofil odgrywa

Model fotosyntezy.

stan pobudzony

foton

elektrony

stan podstawowy

Przenoszenie energii między cząsteczkami chlorofilu

po działaniu fotonu.

CO 2

Wydajność procesu fotosyntezy w igłach sosny w zależ-

ności od stężenia CO 2 w powietrzu.

0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 0,21 0,24 0,28%

Zawartość

w powietrzu

W tym momencie mogą powstać wątpliwości,

a mianowicie jak z grup OH może powstać tlen cząs-

teczkowy O 2 . W takim razie zacznijmy od wyjaśnienia

tego procesu od samego początku.

Pobrany z powietrza CO 2 w chloroplastach zo-

staje związany z ciałami zieleni. Ta reakcja nie wyma-

ga dopływu energii. Do redukcji CO 2 użyty jest wodór

powstały z rozkładu wody. Niezbędnym warunkiem

rozszczepienia wody (i ten proces jest bardzo endo-

termiczny) jest obecność światła i chlorofilu. Powsta-

jący wodór zostaje zużyty do redukcji CO 2 , a grupy

OH (przez stadium tworzenia H 2 O 2 ) zamieniane są na

H 2 O i tlen cząsteczkowy, który zostaje wydalony. I tak

tlen wydalany w wyniku fotosyntezy nie pochodzi

zCO 2 , ale z wody.

Pierwszym uchwytnym produktem pośrednim

powstałym z redukcji wodorem związanego CO 2 jest

kwas fosforoglicerynowy, które potem będzie zredu-

kowany do fosfotriozy. Jeszcze „tylko” kilka reakcji

enzymatycznych i jako produkt końcowy powstają

cząsteczki skrobi. I to właśnie ta skrobia, powstająca

w czasie naświetlania w liściach, przenoszona jest do

innych części roślin i przetwarzana w pochodne skro-

bi, takie jak celuloza, lignina czy cukry.

Dla roślin cieniolubnych (rosnących w cieniu)

maksimum przyswajania wynosi 10% pełnego natęże-

nia światła. Drugim czynnikiem wpływającym na wy-

dajność procesu fotosyntezy jest stężenie CO 2 wpo-

wietrzu .

Trzeci czynnik to temperatura . I tu dziwna

niespodzianka.

1,22% CO 2

OD CZEGO ZALEŻY

WYDAJNOŚĆ FOTOSYNTEZY?

9°

10° 15° 20° 25° 30° 35° 40° 45° 50° 55°

Temperatura °C

Ilość dwutlenku węgla związanego w jednostce

czasu przez określoną powierzchnię liścia jest miarą

intensywności procesu przyswajania. Ta ilość zależy

od wielu czynników zewnętrznych. Jednym z nich

jest intensywność naświetlania. Przyswajanie węgla

występuje już wyraźnie, gdy natężenie światła pada-

jącego na roślinę wynosi 2% natężenia światła w let-

nie południe. W miarę wzrostu natężenia światła

wzrasta przyswajanie węgla, osiągając maksimum

dla roślin światłolubnych przy natężeniu ok. 30% mak-

simum natężenia światła naturalnego .

Wydajność procesu fotosyntezy w różnych roślinach

w zależności od temperatury.

Zgodnie z prawem Yan’t-Hoffa, szybkość reakcji

chemicznych wzrasta 2–3-krotnie na każde podniesie-

nie temperatury o 10°C. Rośliny akceptują to prawo,

ale tylko w zakresie temperatur 0–35°C. Powyżej tej

temperatury zachodzi gwałtowny spadek reakcji foto-

syntezy. Ten hamulec ma chyba ograniczyć nadmier-

ny rozwój roślin w klimacie tropikalnym.

Proste związki organiczne wytworzone w chlo-

roplastach transportowane są kanalikami kapilarnymi

do dalszych części rośliny i tam już bez pobierania

energii cieplnej ze Słońca przetwarzane są na ligninę,

celulozę, cukry, a przede wszystkim – skrobię. Cieka-

we, że kształt makrocząsteczki skrobi jest wyjątkowo

zróżnicowany. Warto jeszcze dodać, że energochłonny

proces fotosyntezy, czyli otrzymanie O 2 z dwóch cząs-

teczek produktu pośredniego ( – NADPH), to jest

zredukowanego fosforanu i cząstki bogatego w ener-

gię produktu pośredniego ( – ATP), czyli odmiany

kwasu fosforowego, trwa zaledwie setną część se-

kundy.

Następnym razem zajmiemy się doświadczenia-

mi z tej właśnie dziedziny. z

Oxalis

(roślina cieniolubna)

1/30

1/10

1/6

1/4

1/3

Natężenie światła

Wydajność procesu fotosyntezy w zależności od inten-

sywności światła.

Chemia - Chlorofil.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: