Pravila 

Kako se solarna energija pretvara. Pretvorba sunčeve energije i organizama koji je koriste. Šta se dešava tokom svetlosne faze fotosinteze?

sažetak ostalih prezentacija

“Jedinstvena državna ispitna pitanja iz biologije 2013” ​​- Genotip organizma. Simbiotski odnos. Proteinski molekul. Osnovne greške. Duvanski dim. Sličnosti i razlike između mutacione i kombinacione varijabilnosti. Nukleotid. Koliko ćelija nastaje kao rezultat mejoze? Proteinski molekuli. Krvna grupa. Downov sindrom. Triplet nukleotida. Faze energetskog metabolizma. Konsultacije iz biologije. Trombociti. Kombinativna varijabilnost. Sposobnost kemo-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 ekskretornog sistema. Prostatitis.

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

“Pitanja za Jedinstveni državni ispit iz biologije” - Procvat klase ptica. Koja vrsta reprodukcije se smatra aseksualnom? Koja struktura hloroplasta sadrži enzime. Uspostavite korespondenciju između karakteristike i organa. Somatske mutacije. Izgled tkiva. Percepcija iritacije. Kod kičmenjaka, organ sluha se mijenjao tokom procesa evolucije. Analiza rezultata Jedinstvenog državnog ispita iz biologije. Placentacija. Pojava pluća. Struktura oka. Koliko se autosoma nalazi u jezgrama somatskih ćelija?

“Pravila zdrave ishrane” - Organizacija kantina sa punom uslugom. Implementacija programa. Piletina. Rezultati implementacije programa. Protein. Pravilna ishrana je način života. Zdrava prehrana. Pravilna ishrana. Teorije ishrane. Obroci za školarce. Klasična teorija uravnotežene ishrane. Sveobuhvatna reorganizacija sistema školske ishrane. Dijeta. Ciljevi i zadaci programa. Postoje 2 opcije za razvoj školske ishrane.

“Proizvodnja mliječnih proizvoda” - Studija kvaliteta mlijeka. Izgradnja. Stočarska industrija. Izveštaj sa ekskurzije. Određivanje ugljikohidrata u mlijeku. Kremarija Staritsky. Ponuda. Radovi kritičara i analitičara. Proizvedeno mlijeko. Doprinos velikog naučnika. Doprinos Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva razvoju mlečne industrije. Pravi naučnik. Red. Razvoj proizvodnje sira. Ideje. Određivanje masti. Svojstva komponenti mleka.

Mnogi od nas su se na ovaj ili onaj način susreli sa solarnim ćelijama. 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 video 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 razumijemo proces generiranja do detalja.

Od samog početka je očigledno da je izvor energije ovdje sunčeva svjetlost, odnosno, naučno rečeno, dobijena je zahvaljujući fotonima 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 u opsegu 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 W po kvadratnom metru.

Ovdje možete prihvatiti ovu energiju i pokušati iz nje dobiti električnu energiju, odnosno pretvoriti energiju svjetlosnog toka Sunca u energiju kretanja nabijenih čestica, drugim riječima, u.


Za pretvaranje svjetlosti u električnu energiju nam je potrebna fotoelektrični pretvarač. Takvi pretvarači su vrlo česti, dostupni su u slobodnoj prodaji, to su takozvane solarne ćelije - fotoelektrični pretvarači u obliku vafla 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 da ćete dobiti 160 W električne energije po kvadratnom metru baterija sastavljena od takvih ćelija.

Ovdje je na djelu fenomen koji se zove “foto efekat”. Fotoelektrični efekat ili fotoelektrični efekat- ovo je fenomen emisije elektrona od strane tvari (fenomen izbacivanja elektrona iz atoma tvari) pod utjecajem svjetlosti ili bilo kojeg drugog elektromagnetnog zračenja.

Još 1900. godine Max Planck, otac kvantne fizike, predložio je da se svjetlost emituje i apsorbira u pojedinačnim dijelovima ili kvantima, što je kasnije, naime 1926. godine, hemičar Gilbert Lewis nazvao "fotoni".


Svaki foton ima energiju, koja se može odrediti formulom E = hv - Plankova konstanta pomnožena frekvencijom zračenja.

U skladu sa idejom Maxa Plancka, fenomen koji je 1887. otkrio Hertz, a potom temeljito proučavan od 1888. do 1890. od strane Stoletova, 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 (drugim riječima: broj fotoelektrona koji su izbačeni 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 je razjasnio 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 fotoelektričnog efekta, za koju je dobio Nobelovu nagradu 1921:

Radna funkcija A ovdje je minimalni rad koji elektron treba da uradi da bi napustio atom supstance. Drugi član je kinetička energija elektrona nakon izlaska.

To jest, foton se apsorbira 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 može se slobodno kretati. 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 fotonaponskom pretvaraču? Fotoelektrični pretvarač ili solarna ćelija ili fotoćelija je, dakle, fotoelektrični efekat u njemu nastaje na neobičan način, to je unutrašnji fotoefekt, pa čak ima i poseban naziv „fotoefekt ventila“.

Pod uticajem 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, prelazeći u drugi deo od toga.

Silicijum u zemljinoj kori čini 30% njene mase, zbog čega se koristi svuda. Posebnost poluvodiča općenito je u tome što 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 upravo razlika u energiji između gornjeg nivoa valentnog pojasa atoma iz kojeg izlaze elektroni i donjeg nivoa vodljivog pojasa. U silicijumu, pojas ima širinu od 1,12 eV - upravo ono što je potrebno za apsorpciju sunčevog zračenja.


Dakle, p-n spoj. Dopirani slojevi silicijuma u fotoćeliji formiraju p-n spoj. Ovdje se stvara energetska barijera za elektrone; oni napuštaju valentni pojas i kreću se samo u jednom smjeru; rupe se kreću u suprotnom smjeru. Tako se stvara struja u solarnoj ćeliji, odnosno električna energija se proizvodi od sunčeve svjetlosti.

Pn spoj izložen fotonima ne dozvoljava nosiocima naboja - elektronima i rupama - da se kreću drugačije osim u jednom smjeru; oni se odvajaju i završavaju na suprotnim stranama barijere. I budući da je povezan na strujni krug preko gornje i donje elektrode, fotoelektrični pretvarač, kada je izložen sunčevoj svjetlosti, stvarat će se u vanjskom kolu.

Opšte je poznata činjenica da je Sunce nebesko tijelo (zvijezda), a sunčeva energija je u suštini rezultat njegove vitalne aktivnosti. Procesi koji se odvijaju na njemu oslobađaju ogromnu količinu energije, bacajući je nevjerovatnom brzinom prema našoj planeti. Iskorištavanje solarne energije dešava se ljudima i svjesno i nesvjesno. Kupajući se zrakama Sunca, ne razmišljamo o tome da energija ove zvijezde pokreće niz važnih procesa u našem tijelu (npr. vitamin D se proizvodi u našoj koži); zahvaljujući njemu dolazi do fotosinteze u biljkama; Kruženje vode u prirodi je također „njeno djelo“. Mi to uzimamo zdravo za gotovo. Ali ovo je samo dio uloge solarne energije u našim životima.

Praktična upotreba solarne energije

Najjednostavniji i svima najpoznatiji vrste upotrebe solarne energije- njegovu upotrebu u modernim kalkulatorima (na vrlo kompaktnim solarnim panelima) i za potrebe domaćinstva (suvo voće, grijanje vode u rezervoaru vanjskog tuša na selu). Kretanje zraka zagrijanog sunčevom toplinom osigurava rad ventilacijskog sistema i dimnjaka. Sunčeve zrake se koriste kao isparivač za desalinizaciju morske vode. Sunce je jedan od glavnih izvora energije za dugotrajan rad satelita, kao i uređaja koji se koriste za proučavanje svemira. Automobili na električnu energiju sve više se uvode u naše živote.

Prijem i pretvaranje solarne energije

Sunčeva energija pogađa našu planetu u obliku tri vrste talasa zračenja: ultraljubičastog, svjetlosnog i infracrvenog.

Korišćenje solarne energije prvenstveno za proizvodnju toplotne ili električne energije. Upravo infracrveni talasi koji padaju na posebnu površinu koju su razvili naučnici pretvaraju se u ono što nam treba.

Tako se za izdvajanje topline koristi kolektor koji apsorbira infracrvene valove, uređaj za skladištenje koji je akumulira i izmjenjivač topline u kojem se zagrijava.

Prilikom proizvodnje električne energije koriste se posebne fotoćelije. Oni upijaju svjetlosne zrake, a odgovarajuće instalacije pretvaraju te zrake u električnu energiju.

Načini korištenja solarne energije mogu se podijeliti ovisno o vrsti elektrane za njegovu preradu. Ukupno ih je šest.

Prva tri: toranj (dizajn u obliku crne kule sa vodom unutra i ogledalima uokolo), parabolični (podsjećaju na satelitske antene sa ogledalima unutra), u obliku tanjira (izgledaju kao metalno drvo sa lišćem od ogledala). Mogu se kombinirati, jer imaju isti princip rada: hvataju određenu količinu svjetlosti, usmjeravaju je u rezervoar tekućine, koji se zagrijava i oslobađa paru, koja se zauzvrat koristi za proizvodnju električne energije.

Četvrto- oprema sa fotoćelijama. Najpoznatiji tip, jer njegove dimenzije mogu varirati ovisno o potrebi. Mali solarni paneli se koriste za potrebe privatnih domaćinstava, veći za industrijske potrebe. Princip rada je stvaranje električne energije iz sunčevih zraka koje apsorbira fotoćelija zbog razlike potencijala unutar nje.

Peto- vakuum. Konstruktivno je to zemljište pokriveno okruglim staklenim krovom, unutar kojeg se nalazi toranj sa turbinama u osnovi. Princip rada je zagrijavanje tla ispod ovog krova i stvaranje promaje zraka zbog temperaturne razlike. Lopatice turbine rotiraju i proizvode energiju.

Istorija proučavanja fotosinteze datira iz 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 aktivnosti životinja. Priestley je pokazao da u prisustvu biljaka "pokvareni" zrak ponovo postaje pogodan za sagorijevanje i održavanje života životinja.

U toku daljih istraživanja Ingenhausa, Senebiera, Saussurea, Boussingaulta i drugih naučnika, ustanovljeno je da biljke, kada su osvijetljene, oslobađaju kisik i apsorbiraju ugljični dioksid iz zraka. Biljke sintetiziraju organske tvari iz ugljičnog dioksida i vode. Ovaj proces je nazvan fotosinteza.

Robert Mayer, koji je otkrio zakon održanja energije, predložio je 1845. godine da biljke pretvaraju energiju sunčeve svjetlosti u energiju hemijskih spojeva nastalih tokom fotosinteze. Prema njegovim riječima, "sunčevi zraci koji se šire u svemiru se "hvataju" i pohranjuju za kasniju 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. 1.

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 tijesno stisnutih zajedno. Nastavak pojedinačnih tilakoida grane su intergranularni tilakoidi koji strše iz njih. Prostor između membrane kloroplasta i tilakoida naziva se stroma. Stroma sadrži molekule kloroplasta RNA, DNK, ribozome, škrobna zrna, kao i brojne enzime, uključujući i one koji osiguravaju apsorpciju CO2 od strane biljaka.

Publikacija je nastala uz podršku kompanije Sushi E’xpress. Kompanija "Sushi E'xpress" pruža usluge dostave sušija u Novosibirsku. Naručivanjem sushija od kompanije Sushi E’xpress brzo ćete dobiti ukusno i zdravo jelo koje pripremaju profesionalni kuhari od najsvježijih namirnica najvišeg kvaliteta. Posjetivši web stranicu kompanije Sushi E’xpress, možete se upoznati sa cijenama i sastavom rolnica u ponudi, 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.

Svjetlosne faze fotosinteze obično se nazivaju skup procesa zbog kojih se, zahvaljujući svjetlosnoj energiji, sintetiziraju molekule adenozin trifosfata (ATP) i nastaje reduciran nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADP H), spoj s visokim dolazi do smanjenja potencijala. Molekuli ATP-a djeluju kao univerzalni izvor energije u ćeliji. Poznato je da se energija makroergijskih (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 iz adenozina. difosfat (ADP) i neorganski fosfat (P i) (ADP + F i → ATP + H 2 O). Dakle, kao rezultat svjetlosnih faza fotosinteze, energija svjetlosti koju apsorbiraju biljke pohranjuje se u obliku visokoenergetskih hemijskih veza molekula ATP-a i jakog redukcionog agensa NADP H, koji se koriste za sintezu ugljikohidrata u takozvane tamne faze fotosinteze.

Tamne faze fotosinteze obično se nazivaju skupom biokemijskih reakcija, kao rezultat kojih biljke apsorbiraju atmosferski ugljični dioksid (CO 2) i nastaju ugljikohidrati. Ciklus tamnih biohemijskih transformacija koje dovode do sinteze organskih jedinjenja iz CO 2 i vode naziva se Calvin-Bensonov ciklus, nazvan po autorima koji su dali odlučujući doprinos proučavanju ovih procesa. Za razliku od kompleksa transporta elektrona i 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 molekula CO 2 i vode u hloroplastima nastaje molekul gliceraldehid-3-fosfata, hemijske formule CHO–CHOH–CH2 O–PO 3 2-. U ovom slučaju, na jedan molekul CO 2 koji je uključen u gliceraldehid-3-fosfat, troše se tri molekula ATP-a i dva molekula NADP H.

Za sintezu organskih jedinjenja u Calvin-Bensonovom ciklusu, energija oslobođena tokom reakcije hidrolize visokoenergetskih fosfatnih veza molekula ATP-a (reakcija ATP + H 2 O → ADP + Ph i) i jak redukcioni potencijal NADP H koriste se molekule.Glavni dio molekula nastalih u hloroplastu Gliceraldehid-3-fosfat ulazi u citosol biljne ćelije, gdje se pretvara u fruktozo-6-fosfat i glukozo-6-fosfat koji pri daljim transformacijama formiraju šećer fosfat, prekursor saharoze. Škrob se sintetizira iz molekula gliceraldehid-3-fosfata koji ostaju u hloroplastu.

Konverzija energije u fotosintetskim reakcionim centrima

Fotosintetski kompleksi biljaka, algi i fotosintetskih bakterija dobro su proučavani. Utvrđen je hemijski sastav i prostorna struktura proteinskih kompleksa koji transformišu energiju, te je razjašnjen redoslijed procesa transformacije energije. Unatoč razlikama u sastavu i molekularnoj strukturi fotosintetskog aparata, postoje opći obrasci procesa konverzije energije u fotoreakcionim centrima svih fotosintetskih organizama. U fotosintetskim sistemima biljnog i bakterijskog porijekla, jedinstvena strukturna i funkcionalna jedinica fotosintetskog aparata je fotosistema, koji uključuje antenu za prikupljanje svjetlosti, fotokemijski reakcioni centar i povezane molekule - nosače elektrona.

Razmotrimo prvo opće principe transformacije energije sunčeve svjetlosti, karakteristične za sve fotosintetske sustave, a zatim ćemo se detaljnije zadržati na primjeru funkcioniranja 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 hlorofila 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 klorofila i određenu količinu pomoćnih pigmenata (karotenoida) čvrsto vezanih za protein.

Na jakoj sunčevoj svjetlosti, pojedinačna molekula klorofila apsorbira kvante svjetlosti relativno rijetko, u prosjeku ne više od 10 puta u sekundi. Međutim, kako postoji veliki broj molekula klorofila po fotoreakcionom centru (200-400), čak i uz relativno slab intenzitet svjetlosti koja pada na list u uvjetima zasjenjenja biljke, reakcioni centar se aktivira prilično često. Skup pigmenata koji apsorbuju svjetlost u suštini djeluje kao antena, koja zbog svoje prilično velike veličine efikasno hvata sunčevu svjetlost i usmjerava njenu energiju u reakcioni centar. Biljke koje vole sjenu, po pravilu, imaju veću antenu za prikupljanje svjetlosti u odnosu na biljke koje rastu u uvjetima jakog osvjetljenja.

U biljkama, glavni pigmenti koji sakupljaju svjetlost su molekuli klorofila. a i hlorofil b, apsorbujući 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 upadne sunčeve svjetlosti na zelenom listu.

Međutim, spektralni sastav svjetlosti koju apsorbira antena za prikupljanje svjetlosti je zapravo mnogo širi. Ovo se objašnjava činjenicom da se apsorpcijski spektar agregiranih oblika hlorofila koji su dio antene za prikupljanje svjetlosti pomiče prema dužim talasnim dužinama. Uz hlorofil, antena za prikupljanje svjetlosti uključuje pomoćne pigmente, koji povećavaju efikasnost njenog rada zbog činjenice da apsorbiraju svjetlost u onim područjima spektra u kojima apsorbuju molekule klorofila, glavnog pigmenta antene za prikupljanje svjetlosti. svjetlo relativno slabo.

U biljkama, pomoćni pigmenti su karotenoidi koji apsorbuju svetlost u području talasne dužine 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 od strane molekule klorofila (Chl) ili pomoćnog pigmenta 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 tako može migrirati kroz pigmentnu matricu sve dok ekscitacija konačno 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 takvih 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%. Ovakva visoka efikasnost korišćenja sunčeve energije je rezultat činjenice da je antena za prikupljanje svetlosti visoko uređena struktura koja obezbeđuje veoma dobru interakciju pigmenata međusobno. Zahvaljujući tome postiže se visoka brzina prijenosa energije pobuđivanja 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 (prihvataju elektron) i oksidiraju (doniraju elektron). Nakon toga, Cock, Witt i Duyzens su u biljkama, algama i fotosintetskim bakterijama 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 usmerava se 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 dimer hlorofila P, fotosintetski kompleks uključuje molekule primarnih i sekundarnih akceptora elektrona, koje ćemo konvencionalno označiti kao A i B, kao i primarni donor elektrona, molekulu D. Pobuđeni reakcioni centar P* ima nisku afinitet prema elektronima i stoga se lako donira svom obližnjem primarnom akceptoru elektrona A:

D(P*A)B → D(P + A –)B.

Dakle, kao rezultat vrlo brzog (t ≈10–12 s) prijenosa elektrona sa P* na A, ostvaruje se druga fundamentalno važna faza konverzije 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 asimetrično u membrani: u hloroplastima reakcioni centar P+ nalazi se bliže površini membrane okrenutoj prema unutrašnjoj strani tilakoida, a akceptor A – bliže spolja. Stoga, kao rezultat fotoinduciranog razdvajanja naboja, na membrani nastaje razlika električnog potencijala. Odvajanje naboja izazvano svjetlom u reakcionom centru je slično stvaranju razlike električnog potencijala u konvencionalnoj fotoćeliji. Treba, međutim, naglasiti da je, za razliku od svih poznatih i široko korištenih energetskih fotokonvertera u tehnici, radna efikasnost fotosintetskih reakcionih centara vrlo visoka. Efikasnost razdvajanja naboja u aktivnim fotosintetskim reakcionim centrima u pravilu prelazi 90-95% (najbolji primjeri solarnih ćelija imaju efikasnost ne veću od 30%).

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

D(P + A –)B → D(P + A)B – .

U ovom slučaju ne samo da se elektron udaljava od pozitivno naelektrisanog reakcionog centra P+, već se primetno smanjuje i energija čitavog sistema (slika 3). To znači da će elektron prenijeti u suprotnom smjeru (prijelaz B – → A), on će morati savladati prilično visoku energetsku barijeru ΔE ≈ 0,3–0,4 eV, gdje je ΔE razlika u energetskim nivoima za dva stanja sistem u kojem se elektron nalazi na nosaču A ili B. Iz tog razloga, da bi se elektron vratio nazad, sa redukovanog molekula B - na oksidirani molekul A, bilo bi potrebno mnogo više vremena nego za direktni prijelaz A - → B. Drugim riječima, u smjeru naprijed elektron se prenosi mnogo brže nego u obrnutom smjeru. Stoga, nakon što se elektron prebaci na sekundarni akceptor B, vjerovatnoća njegovog povratka nazad i rekombinacije sa pozitivno nabijenom „rupom“ P+ značajno opada.

Drugi faktor koji doprinosi stabilizaciji razdvojenih naboja je brza neutralizacija oksidiranog fotoreakcionog centra P+ zbog elektrona koji se na P+ dovodi 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 ispali - da preda elektron 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 svetlosti FS1 apsorbuje svetlost talasne dužine λ ≤ 700–730 nm, a FS2 apsorbuje svetlost talasne dužine λ ≤ 680–700 nm. Oksidacija reakcionih centara PS1 i PS2 izazvana svjetlom praćena je njihovim izbjeljivanjem, koje karakteriziraju promjene u njihovim apsorpcijskim spektrima na λ ≈ 700 i 680 nm. U skladu sa svojim optičkim karakteristikama, reakcioni centri PS1 i PS2 su nazvani P 700 i P 680.

Dva fotosistema su međusobno povezana kroz lanac 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 (P c) kao nosače elektrona. Na sl. 4.

U PS2, iz pobuđenog centra P* 680, elektron se prvo prenosi na primarni akceptor feofetin (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 .

Elektron se zatim prenosi na drugu molekulu plastokinona QB, 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 – .

Molekula plastokinona, čija je hemijska formula i lokacija u lipidnoj dvoslojnoj membrani prikazani na Sl. 5, sposoban je da prihvati dva elektrona. Nakon što se reakcioni centar PS2 dvaput opali, 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), nastaje električni neutralni oblik ovog molekula QH 2 koji se naziva plastohinol (slika 5). Plastokinol djeluje kao mobilni nosač dvaju elektrona i dva protona: nakon napuštanja PS2, molekula QH 2 može se lako kretati unutar tilakoidne membrane, osiguravajući vezu PS2 sa drugim kompleksima za transport elektrona.

Oksidirani reakcioni centar PS2 R 680 ima izuzetno visok afinitet prema elektronima, tj. je veoma jak oksidant. Zbog toga, PS2 razgrađuje vodu, hemijski stabilno jedinjenje. Kompleks za cijepanje vode (WSC), koji je dio PS2, sadrži u svom aktivnom centru grupu jona mangana (Mn 2+), koji služe kao donori elektrona za P680. Doniranjem elektrona oksidiranom reakcionom centru, ioni mangana postaju “akumulatori” pozitivnih naboja, koji su direktno uključeni u reakciju oksidacije vode. Kao rezultat sekvencijalne četverostruke aktivacije reakcionog centra P 680, četiri jaka oksidativna ekvivalenta (ili četiri "rupe") akumuliraju se u aktivnom centru VRC-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 sekvencijalnog prijenosa četiri elektrona iz VRC-a na P 680, dolazi do sinhrone razgradnje dvije molekule vode odjednom, praćeno oslobađanjem jedne molekule kisika i četiri vodikova iona, koji ulaze u intratilakoidni prostor hloroplasta.

Molekul QH 2 plastohinola formiran tokom funkcionisanja PS2 difunduje u lipidni dvosloj tilakoidne membrane do b/f kompleksa (sl. 4 i 5). Kada naiđe na b/f kompleks, molekul QH 2 se veže za njega i zatim mu prenosi dva elektrona. U ovom slučaju, za svaki molekul plastohinola oksidiran b/f kompleksom, dva vodikova jona se oslobađaju unutar tilakoida. Zauzvrat, b/f kompleks služi kao donor elektrona za plastocijanin (P c), relativno mali protein topiv u vodi čiji aktivni centar uključuje ion bakra (reakcije redukcije i oksidacije plastocijanina praćene su promjenama valencije ion bakra 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 kombinovanog djelovanja PS1 i PS2, dva elektrona iz molekule vode razložene u PS2 se na kraju prenose kroz lanac transporta elektrona do NADP + molekule, osiguravajući stvaranje 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 obnavljanje 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 djelotvoran prolaz elektrona duž lanca molekula nosača od vode do NADP+. Prije otprilike 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. Trenutno se vjeruje da PS1 potiče od zelenih bakterija, a PS2 od ljubičastih bakterija. Nakon što je, tokom evolucijskog procesa, PS2 "uključen" u jedan lanac prijenosa elektrona zajedno sa PS1, postalo je moguće riješiti energetski problem - prevazići prilično veliku razliku u redoks potencijalima parova kisik/voda i NADP + / NADP H. Pojava fotosintetskih organizama, sposobnih za oksidaciju vode, postala je jedna od najvažnijih faza u razvoju žive prirode 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, stvarajući tako 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 kroz ETC obično je praćen smanjenjem energije. Ovaj proces se može uporediti sa spontanim kretanjem tela duž nagnute ravni. Smanjenje nivoa energije elektrona tokom njegovog kretanja duž ETC 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 troši se beskorisno, 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 P i (reakcija ADP + P i → ATP + H 2 O). S tim u vezi, uobičajeno je reći da su energetski donirajući procesi transporta elektrona povezani sa procesima akceptora energije sinteze ATP-a.

Najvažniju ulogu u osiguravanju energetskog spajanja u tilakoidnim membranama, kao iu svim drugim organelama koje pretvaraju energiju (mitohondrije, hromatofore fotosintetskih bakterija), imaju procesi transporta protona. Sinteza ATP-a usko je povezana s prijenosom tri protona iz tilakoida (3H in +) u stromu (3H out +) preko ATP sintaze:

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

Ovaj proces postaje moguć jer, zbog asimetričnog rasporeda nosača u membrani, funkcioniranje ETC-a hloroplasta dovodi do akumulacije viška količine protona unutar tilakoida: vodikovi ioni se apsorbiraju izvana u fazama NADP-a. + redukciju 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 vodikovih jona unutar tilakoida.

Dakle, pogledali smo lanac događaja tokom kojih se energija sunčeve svjetlosti pohranjuje u obliku energije visokoenergetskih hemijskih jedinjenja - ATP i NADP H. Ovi proizvodi svjetlosnog stadijuma fotosinteze koriste se u tamnim fazama za stvaranje organskih spojeva (ugljikohidrata) iz ugljičnog dioksida i vode. Glavne faze konverzije energije koje dovode do stvaranja ATP i NADP H uključuju sledeće procese: 1) apsorpciju svetlosne energije pigmentima antene za prikupljanje svetlosti; 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 ćelija. 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. Bioenergija. Uvod u hemiosmotičku teoriju. – M.: Mir, 1985.
4. Skulachev V.P. Energija bioloških membrana. – M.: Nauka, 1989.

Danas ćemo govoriti o organizmima koji koriste sunčevu energiju u svom životu. Da bismo to učinili, moramo se dotaknuti nauke kao što je bioenergija. Proučava načine pretvaranja energije živih organizama i njenog korištenja u procesu života. Bioenergija se zasniva na termodinamici. Ova nauka opisuje mehanizme za pretvaranje različitih vrsta energije jedne u druge. Uključujući korištenje i transformaciju sunčeve energije od strane različitih organizama. Uz pomoć termodinamike moguće je u potpunosti opisati energetski mehanizam procesa koji se odvijaju oko nas. Ali uz pomoć termodinamike nemoguće je razumjeti prirodu određenog procesa. U ovom članku ćemo pokušati objasniti mehanizam korištenja sunčeve energije od strane živih organizama.

Da bismo opisali transformaciju energije u živim organizmima ili drugim objektima na našoj planeti, trebali bismo ih razmotriti sa stajališta termodinamike. Odnosno, sistem koji razmjenjuje energiju sa okolinom i objektima. Mogu se podijeliti u sljedeće sisteme:

  • Zatvoreno;
  • Isolated;
  • Otvori.

Živi organizmi o kojima se govori u ovom članku su otvoreni sistemi. Oni provode kontinuiranu razmjenu energije sa OS i okolnim objektima. Uz vodu, vazduh i hranu u organizam ulaze i sve vrste hemijskih supstanci koje se od njega razlikuju po hemijskom sastavu. Kada uđu u organizam, podvrgavaju se dubokoj preradi. Oni prolaze kroz niz promjena i postaju slični hemijskom sastavu tijela. Nakon toga, oni privremeno postaju dio tijela.

Nakon nekog vremena, ove tvari se uništavaju i daju tijelu energiju. Njihovi proizvodi razgradnje uklanjaju se iz tijela. Njihovo mjesto u tijelu popunjavaju drugi molekuli. U ovom slučaju, integritet strukture tijela nije narušen. Takva asimilacija i prerada energije u tijelu osigurava obnovu tijela. Energetski metabolizam je neophodan za postojanje svih živih organizama. Kada se procesi pretvorbe energije u tijelu zaustave, ono umire.

Sunčeva svjetlost je izvor biološke energije na Zemlji. Nuklearna energija iz Sunca proizvodi energiju zračenja. Atomi vodika u našoj zvijezdi se pretvaraju u atome He kao rezultat reakcije. Energija koja se oslobađa tokom reakcije oslobađa se u obliku gama zračenja. Sama reakcija izgleda ovako:

4H? He4 + 2e + hv, gdje

v je talasna dužina gama zraka;

h je Plankova konstanta.

Nakon toga, nakon interakcije gama zračenja i elektrona, energija se oslobađa u obliku fotona. Ovu svetlosnu energiju emituje nebesko telo.

Kada sunčeva energija dođe do površine naše planete, biljke je hvataju i pretvaraju. U njima se sunčeva energija pretvara u hemijsku energiju, koja se pohranjuje u obliku hemijskih veza. To su veze koje povezuju atome u molekulima. Primjer je sinteza glukoze u biljkama. Prva faza ove konverzije energije je fotosinteza. Biljke mu daju hlorofil. Ovaj pigment osigurava pretvaranje energije zračenja u hemijsku energiju. Ugljikohidrati se sintetiziraju iz H2O i CO2. To osigurava rast biljaka i prijenos energije u sljedeću fazu.

Sljedeća faza prijenosa energije događa se s biljaka na životinje ili bakterije. U ovoj fazi, energija ugljikohidrata u biljkama se pretvara u biološku energiju. To se događa tokom oksidacije biljnih molekula. Količina primljene energije odgovara količini koja je potrošena na sintezu. Dio ove energije se pretvara u toplinu. Kao rezultat, energija se pohranjuje u visokoenergetskim vezama adenozin trifosfata. Tako se sunčeva energija, prolazeći kroz niz transformacija, pojavljuje u živim organizmima u drugačijem obliku.

Ovdje vrijedi odgovoriti na često postavljano pitanje: "Koja organela koristi energiju sunčeve svjetlosti?" To su hloroplasti uključeni u proces fotosinteze. Koriste ga za sintezu organskih supstanci iz neorganskih.

Neprekidni tok energije je suština svih živih bića. Stalno se kreće između ćelija i organizama. Na ćelijskom nivou postoje efikasni mehanizmi za konverziju energije. Postoje 2 glavne strukture u kojima dolazi do konverzije energije:

  • kloroplasti;
  • Mitohondrije.

Ljudi, kao i drugi živi organizmi na planeti, obnavljaju svoje energetske rezerve iz hrane. Osim toga, dio konzumiranih proizvoda je biljnog porijekla (jabuke, krompir, krastavci, paradajz), a dio životinjskog (meso, riba i drugi plodovi mora). Životinje koje jedemo takođe dobijaju energiju iz biljaka. Stoga se sva energija koju naše tijelo primi pretvara iz biljaka. A za njih se pojavljuje kao rezultat konverzije sunčeve energije.

Prema vrsti proizvodnje energije svi organizmi se mogu podijeliti u dvije grupe:

  • Fototrofi. Crpajte energiju iz sunčeve svjetlosti;
  • Hemotrofi. Oni dobijaju energiju tokom redoks reakcije.

Odnosno, sunčevu energiju koriste biljke, a životinje dobijaju energiju koja se nalazi u organskim molekulima kada jedu biljke.

Kako se energija pretvara u živim organizmima?

Postoje 3 glavne vrste energije koju pretvaraju organizmi:

  • Konverzija energije zračenja. Ova vrsta energije nosi sunčevu svjetlost. U biljkama, energija zračenja je zarobljena pigmentom hlorofilom. Kao rezultat fotosinteze, pretvara se u hemijsku energiju. To se, pak, koristi u procesu sinteze kisika i drugim reakcijama. Sunčeva svjetlost nosi kinetičku energiju, au biljkama se pretvara u potencijalnu energiju. Rezultirajuća energetska rezerva se pohranjuje u nutrijentima. Na primjer, u ugljikohidratima;
  • Konverzija hemijske energije. Iz ugljikohidrata i drugih molekula pretvara se u energiju visokoenergetskih fosfatnih veza. Ove transformacije se dešavaju u mitohondrijima.
  • Konverzija energije visokoenergetskih fosfatnih veza. Troše ga ćelije živog organizma za obavljanje različitih vrsta poslova (mehaničkih, električnih, osmotskih itd.).

Tokom ovih transformacija, dio rezerve energije se gubi i raspršuje u obliku topline.

Korištenje pohranjene energije od strane organizama

U procesu metabolizma tijelo dobiva rezervu energije koja se troši na obavljanje biološkog rada. To može biti lagani, mehanički, električni, hemijski rad. A tijelo troši veliki dio svoje energije u obliku topline.

U nastavku su ukratko opisane glavne vrste energije u tijelu:

  • Mehanički. Karakterizira kretanje makrotijela, kao i mehanički rad njihovog kretanja. Može se podijeliti na kinetičku i potencijalnu. Prvi je određen brzinom kretanja makrotijela, a drugi njihovim položajem jedan u odnosu na drugo;
  • Hemijski. Određuje se interakcijom atoma u molekulu. To je energija elektrona koji se kreću po orbitama molekula i atoma;
  • Električni. Interakcija nabijenih čestica uzrokuje njihovo kretanje u električnom polju;
  • Osmotski. Troši se kada se kreće protiv gradijenta koncentracije molekula tvari;
  • Regulatorna energija.
  • Thermal. Određeno haotičnim kretanjem atoma i molekula. Glavna karakteristika ovog pokreta je temperatura. Ova vrsta energije je najviše obezvređena od svih navedenih.

Odnos između temperature i kinetičke energije atoma može se opisati sljedećom formulom:

E h = 3/2rT, gdje je

r je Boltzmannova konstanta (1,380*10 -16 erg/deg).

Kako se energija oslobađa iz nutrijenata?

Postoje 3 konvencionalna koraka u procesu izvlačenja energije iz nutrijenata;

  • Pripremni. Ovaj korak je potreban za pretvaranje biopolimera u ćelijama hrane u monomere. Ovaj oblik je najbolji za izvlačenje energije. Ovaj proces (hidroliza) se odvija u crijevima ili iznutra. Hidroliza se odvija uz sudjelovanje lizosoma i citoplazmatskih enzima. Energetska vrijednost ove faze je nula. U ovoj fazi oslobađa se 1 posto energetske vrijednosti supstrata, a sve se gubi kao toplina;
  • U drugoj fazi, monomeri se djelomično razgrađuju i formiraju međuproizvode. Nastaju kiseline Krebsovog ciklusa i acetil-CoA. Broj početnih supstrata u ovoj fazi se smanjuje na tri i oslobađa se do 20 posto energetske rezerve supstrata. Proces se odvija anaerobno, odnosno bez pristupa kisiku. Energija se djelomično pohranjuje u fosfatnim vezama ATP-a, a ostatak se troši u obliku topline. Do razgradnje monomera dolazi u hijaloplazmi, a preostali procesi se dešavaju u mitohondrijima;
  • U završnoj fazi, monomeri se razlažu na H 2 O i CO 2 u reakciji koja uključuje kisik. Biološka oksidacija nastaje potpunim oslobađanjem energetskih rezervi. Od 3 tri metabolita koja su bila prisutna u prethodnoj fazi, ostao je samo H2. To je univerzalno gorivo u respiratornom lancu. U ovoj fazi oslobađa se preostalih 80 posto rezerve energije. Dio energije izlazi kao toplina, a ostatak se skladišti u fosfatnim vezama. Sve reakcije u ovoj fazi odvijaju se u mitohondrijima.

Oslobađanje energije u živim ćelijama odvija se postepeno. U svim fazama izlučivanja, može se akumulirati u hemijskom obliku pogodnom za ćelije supstance. Energetska struktura ćelije uključuje 3 različita funkcionalna bloka u kojima se odvijaju različiti procesi:

  • I-procesi (formiranje oksidacionih supstrata, koji odgovaraju oksidativnom enzimu u ćelijama);
  • Blok S-H 2 (oksidacijski supstrat);
  • Procesi stvaranja vodonika. Izlaz je KH 2 (vodonik sa koenzimom).

Ovi složeni višestepeni procesi nastaju tokom transformacije sunčeve energije u biljkama i živim organizmima.
Ako vam je ovaj članak bio koristan, podijelite vezu do njega na društvenim mrežama. To će pomoći razvoju stranice. Glasajte u anketi ispod i ocijenite materijal! Molimo ostavite ispravke i dopune članka u komentarima.

Objavljeno u