L'oxygène est le composant le plus important de l'existence de toute vie sur Terre. Étonnamment, cet élément sur notre planète, bien que sa concentration dans l'air, selon certains scientifiques, diminue inexorablement, constitue une réserve reconstituable. Ce qui est encore plus étonnant est le fait qu'il est synthétisé à partir de ressources autres que celles disponibles : l'eau, la lumière du soleil et le dioxyde de carbone. Et les plantes réalisent ce merveilleux processus.
Bien sûr, nous parlons de photosynthèse, une création étonnante de la nature. Malgré le fait que les scientifiques ont étudié cette question en profondeur, il est toujours irréaliste de répéter les étapes de la photosynthèse en laboratoire.
Ce processus est généralement divisé en deux étapes :
- Phase lumineuse de la photosynthèse.
- Phase sombre de la photosynthèse.
D'après leur nom, il ressort clairement que la première partie du processus se déroule à la lumière, c'est-à-dire avec la participation de la lumière du soleil. On le trouve uniquement dans les feuilles vertes des plantes, car elles contiennent des chloroplastes - des éléments spéciaux dans les membranes desquels l'ATP est synthétisée - une molécule dans laquelle l'énergie est stockée.
Lorsque les photons du soleil frappent les feuilles des plantes contenant de la chlorophylle, l'énergie du soleil est convertie en molécules énergétiques ATP, déjà mentionnées ci-dessus. De plus, en raison de l'extraction de deux atomes d'hydrogène d'une molécule d'eau (ce qui se produit également grâce à la lumière du soleil), une molécule de NADP se forme. Une molécule d'eau décomposée, dépourvue de deux atomes d'hydrogène, reste avec de l'oxygène libre qui pénètre dans l'atmosphère. Ainsi, les produits de la photosynthèse en phase lumineuse sont :
- oxygène;
- molécule d'énergie ATP ;
- hydrogène atomique NADP H2.
Il est curieux que la formation d’oxygène dans ce processus ne soit pas le but final. Il s'agit plutôt d'un effet secondaire. Vient ensuite la phase sombre de la photosynthèse, ou chimiosynthèse, dans laquelle les produits de la première phase sont directement impliqués. Regardons-le de plus près.
En effet, le but du procédé n’est pas de produire de l’oxygène. La phase sombre de la photosynthèse se produit dans une autre partie de la feuille, dans le stroma de ses chloroplastes. A la fin de la phase lumineuse, la plante parvient à s'approvisionner en une quantité impressionnante de molécules énergétiques - ATP et NADP H2, la participation de la lumière n'est donc plus nécessaire. C’est à l’aide de ces molécules que sont synthétisés les éléments organiques. Il est logique que la tâche de la molécule énergétique ATP soit de fournir de l'énergie pour la mise en œuvre des processus de synthèse, tandis que le rôle du NADP H2 est de restaurer.
Au début de cette phase, la molécule d’agent réducteur est oxydée, provoquant la disparition de deux atomes d’hydrogène, ce qui donne une molécule de NADP pure. Dans le même temps, l'ATP abandonne le résidu d'acide phosphorique et se transforme en ADP. Ces deux processus se produisent dans la matrice foliaire. Les molécules nouvellement obtenues retournent ensuite sur les bords des feuilles, ce qui permet de répéter tout le processus de la phase lumineuse. Cependant, ce n’est pas la clé ; nous avons seulement décrit la cyclicité et la séquence des opérations se produisant dans les feuilles.
Le produit final de cette phase est le glucose, un composé organique classé comme sucre simple. Melvin Calvin fut le premier à décrire en détail la synthèse de cette molécule. Il s'est avéré que les deux molécules considérées dans la phase légère - énergétique et réductrice - sont impliquées dans les processus de synthèse. De plus, les éléments importants pour la formation des sucres simples sont 6 molécules de dioxyde de carbone (CO2), 24 atomes d'hydrogène, 6 molécules d'eau :
6CO2 + 24H + ATP C6H12O6 + 6H2O.
La phase sombre de la photosynthèse est importante pour les plantes car, en plus du glucose, divers acides aminés, nucléotides, acides gras et glycérol se forment pendant cette période.
La photosynthèse est un processus naturel tout à fait unique. Non seulement c’est la clé pour maintenir un niveau constant d’oxygène dans l’atmosphère, mais cela représente également la perfection de la nature lorsque les éléments organiques sont créés à partir d’éléments inorganiques.
Fonctions biochimiques
Transfert d'ions hydrure H– (atome d'hydrogène et électron) dans les réactions redox
Grâce au transfert d'ions hydrure, la vitamine assure les tâches suivantes :
1. Métabolisme des protéines, des graisses et des glucides. Puisque le NAD et le NADP servent de coenzymes à la plupart des déshydrogénases, ils participent aux réactions
- lors de la synthèse et de l'oxydation des acides gras,
- lors de la synthèse du cholestérol,
- métabolisme de l'acide glutamique et d'autres acides aminés,
- métabolisme des glucides : voie des pentoses phosphates, glycolyse,
- décarboxylation oxydative de l'acide pyruvique,
- cycle de l’acide tricarboxylique.
2. Le NADH le fait régulateur fonction, puisqu'il est un inhibiteur de certaines réactions d'oxydation, par exemple dans le cycle de l'acide tricarboxylique.
3. Protection des informations héréditaires– Le NAD est un substrat de la poly-ADP-ribosylation lors du processus de réticulation des cassures chromosomiques et de réparation de l’ADN, qui ralentit la nécrobiose et l’apoptose cellulaire.
4. Protection contre les radicaux libres– Le NADPH est un composant essentiel du système antioxydant de la cellule.
5. Le NADPH intervient dans les réactions de resynthèse de l'acide tétrahydrofolique à partir de l'acide dihydrofolique, par exemple après la synthèse du thymidyl monophosphate.
Hypovitaminose
Cause
Carence nutritionnelle en niacine et tryptophane. Syndrome de Hartnup.
Image clinique
Elle se manifeste par la maladie de la pellagre (en italien : pelle agra - peau rugueuse). Apparaît comme syndrome des trois D:
- démence(troubles nerveux et mentaux, démence),
- dermatite(photodermatite),
- diarrhée(faiblesse, indigestion, perte d'appétit).
Si elle n'est pas traitée, la maladie est mortelle. Les enfants souffrant d’hypovitaminose connaissent une croissance lente, une perte de poids et une anémie.
Antivitamines
Phtivazid, tubazid, niazid sont des médicaments utilisés pour traiter la tuberculose.
Formes posologiques
Nicotinamide et acide nicotinique.
Vitamine B5 (acide pantothénique)
Sources
Tous produits alimentaires, notamment les légumineuses, la levure, les produits d'origine animale.
Besoin quotidien
Structure
La vitamine existe uniquement sous forme d'acide pantothénique ; elle contient de la β-alanine et de l'acide pantoïque (2,4-dihydroxy-3,3-diméthylbutyrique).
>
La structure de l'acide pantothénique
Ses formes de coenzyme sont coenzyme A(coenzyme A, HS-CoA) et 4-phosphopantéthéine.
La structure de la forme coenzyme de la vitamine B5 - coenzyme A
Fonctions biochimiques
Forme coenzyme de la vitamine coenzyme A n’est étroitement lié à aucune enzyme, il se déplace entre différentes enzymes, fournissant transfert d'acyle(y compris l'acétyle) groupes:
- dans les réactions d'oxydation énergétique du glucose et des radicaux d'acides aminés, par exemple, dans le travail des enzymes pyruvate déshydrogénase, α-cétoglutarate déshydrogénase dans le cycle de l'acide tricarboxylique),
- comme porteur de groupes acyle lors de l'oxydation des acides gras et dans les réactions de synthèse des acides gras
- dans les réactions de synthèse de l'acétylcholine et des glycosaminoglycanes, formation d'acide hippurique et d'acides biliaires.
Hypovitaminose
Cause
Carence nutritionnelle.
Image clinique
Apparaît comme pédiolalgie(érythromélalgie) - lésion des petites artères des parties distales des membres inférieurs, le symptôme est brûlant dans les pieds. L'expérience révèle un vieillissement des cheveux, des lésions de la peau et du tractus gastro-intestinal, un dysfonctionnement du système nerveux, une dystrophie surrénalienne, une stéatose hépatique, une apathie, une dépression, une faiblesse musculaire et des convulsions.
Mais comme la vitamine est présente dans tous les aliments, l’hypovitaminose est très rare.
Formes posologiques
Pantothénate de calcium, coenzyme A.
Vitamine B6 (pyridoxine, anti-dermatite)
Sources
La vitamine est riche en céréales, légumineuses, levures, foie, reins, viande et est également synthétisée par les bactéries intestinales.
Besoin quotidien
Structure
La vitamine existe sous forme de pyridoxine. Ses formes de coenzymes sont le phosphate de pyridoxal et le phosphate de pyridoxamine.
Informations connexes :
Rechercher sur le site :
Formule développée des substances
Quelle est la formule développée
Il en existe deux variétés : planaire (2D) et spatiale (3D) (Fig. 1).
Structure des formes oxydées du NAD et du NADP
Lors de la représentation d'une formule développée, les liaisons intramoléculaires sont généralement désignées par des tirets (primes).
Riz. 1. Formule développée de l'alcool éthylique : a) planaire ; b) spatial.
Les formules structurelles planaires peuvent être représentées de différentes manières.
Une courte formule graphique est identifiée dans laquelle les liaisons des atomes avec l'hydrogène ne sont pas indiquées :
CH3-CH2-OH(éthanol);
une formule graphique squelettique, qui est le plus souvent utilisée pour décrire la structure des composés organiques ; non seulement elle n'indique pas les liaisons du carbone avec l'hydrogène, mais elle n'indique pas non plus les liaisons reliant les atomes de carbone entre eux et avec d'autres atomes :
pour les composés organiques de la série aromatique, des formules développées spéciales sont utilisées, représentant le cycle benzénique sous la forme d'un hexagone :
Exemples de résolution de problèmes
L'acide adénosine triphosphorique (ATP) est une source universelle et un principal accumulateur d'énergie dans les cellules vivantes.. L'ATP se trouve dans toutes les cellules végétales et animales. La quantité d'ATP est en moyenne de 0,04 % (du poids humide de la cellule), la plus grande quantité d'ATP (0,2 à 0,5 %) se trouve dans les muscles squelettiques.
Dans une cellule, une molécule d’ATP est épuisée dans la minute suivant sa formation. Chez l’homme, une quantité d’ATP égale au poids corporel est produite et détruite toutes les 24 heures..
L'ATP est un mononucléotide constitué de résidus de base azotée (adénine), de ribose et de trois résidus d'acide phosphorique. Puisque l’ATP contient non pas un, mais trois résidus d’acide phosphorique, il appartient à ribonucléoside triphosphates.
La plupart du travail effectué dans les cellules utilise l’énergie de l’hydrolyse de l’ATP.
Dans ce cas, lorsque le résidu terminal de l'acide phosphorique est éliminé, l'ATP se transforme en ADP (acide adénosine diphosphorique), et lorsque le deuxième résidu d'acide phosphorique est éliminé, il se transforme en AMP (acide adénosine monophosphorique).
Le rendement énergétique libre lors de l'élimination des résidus terminaux et secondaires de l'acide phosphorique est d'environ 30,6 kJ/mol. L'élimination du troisième groupe phosphate s'accompagne de la libération de seulement 13,8 kJ/mol.
Les liaisons entre le terminal et les deuxième, deuxième et premier résidus d'acide phosphorique sont appelées macroergique(haute énergie).
Les réserves d'ATP sont constamment reconstituées.
Fonctions biologiques.
Dans les cellules de tous les organismes, la synthèse d'ATP se produit au cours du processus phosphorylation, c'est-à-dire ajout d'acide phosphorique au FAD. La phosphorylation se produit avec une intensité variable au cours de la respiration (mitochondries), de la glycolyse (cytoplasme) et de la photosynthèse (chloroplastes).
L'ATP est le lien principal entre les processus accompagnés de libération et d'accumulation d'énergie et les processus se produisant avec une dépense énergétique.
De plus, l'ATP, avec d'autres ribonucléosides triphosphates (GTP, CTP, UTP), est un substrat pour la synthèse d'ARN.
En plus de l'ATP, il existe d'autres molécules avec des liaisons macroergiques - UTP (acide uridine triphosphorique), GTP (acide guanosine triphosphorique), CTP (acide cytidine triphosphorique), dont l'énergie est utilisée pour la biosynthèse des protéines (GTP), des polysaccharides (UTP), phospholipides (CTP). Mais tous sont formés grâce à l’énergie de l’ATP.
Outre les mononucléotides, les dinucléotides (NAD+, NADP+, FAD), qui appartiennent au groupe des coenzymes (molécules organiques qui restent en contact avec l'enzyme uniquement pendant la réaction), jouent un rôle important dans les réactions métaboliques.
NAD+ (nicotinamide adénine dinucléotide), NADP+ (nicotinamide adénine dinucléotide phosphate) sont des dinucléotides contenant deux bases azotées - l'adénine et l'amide d'acide nicotinique - un dérivé de la vitamine PP), deux résidus ribose et deux résidus acide phosphorique (Fig. .). Si l’ATP est une source d’énergie universelle, alors NAD+ et NADP+ sont des accepteurs universels, et leurs formes restaurées sont NADH Et NADPH – donateurs universelséquivalents de réduction (deux électrons et un proton).
L'atome d'azote inclus dans le résidu amide de l'acide nicotinique est tétravalent et porte une charge positive ( NAD+). Cette base azotée accepte facilement deux électrons et un proton (c'est-à-dire
est réduit) dans les réactions dans lesquelles, avec la participation d'enzymes déshydrogénases, deux atomes d'hydrogène sont éliminés du substrat (le deuxième proton entre en solution) :
Substrat-H2 + NAD+ substrat + NADH + H+
Dans les réactions inverses, les enzymes s'oxydent NADH ou NADPH, réduisez les substrats en leur ajoutant des atomes d'hydrogène (le deuxième proton provient de la solution).
FAD – flavine adénine dinucléotide– un dérivé de la vitamine B2 (riboflavine) est également un cofacteur des déshydrogénases, mais MODE ajoute deux protons et deux électrons, ce qui réduit à RICA2.
⇐ Précédent1234567
Cyclophosphates nucléosidiques (AMPc et GMPc) comme messagers secondaires dans la régulation du métabolisme cellulaire.
Les cyclophosphates de nucléosides comprennent des nucléotides dans lesquels une molécule d'acide phosphorique estérifie simultanément deux groupes hydroxyle d'un résidu glucidique.
Presque toutes les cellules contiennent deux cyclophosphates nucléosidiques : l'adénosine 3′,5′-cyclophosphate (AMPc) et la guanosine 3′,5′-cyclophosphate (cGMP). Ce sont des messagers secondaires (messagers) dans la transmission d'un signal hormonal dans la cellule.
6. Structure des dinucléotides : FAD, NAD+, son phosphate NADP+.
Leur participation aux réactions redox.
Les représentants les plus importants de ce groupe de composés sont le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD, ou dans la littérature russe NAD) et son phosphate (NADP ou NADP). Ces composés jouent un rôle important en tant que coenzymes dans de nombreuses réactions redox.
Conformément à cela, ils peuvent exister aussi bien sous forme oxydée (NAD+, NADP+) que réduite (NADH, NADPH).
Le fragment structural du NAD+ et du NADP+ est un résidu nicotinamide sous forme de cation pyridinium. Faisant partie du NADH et du NADPH, ce fragment est converti en un résidu 1,4-dihydropyridine.
Lors de la déshydrogénation biologique, le substrat perd deux atomes d'hydrogène, soit
deux protons et deux électrons (2H+, 2e) ou un proton et un ion hydrure (H+ et H-). La coenzyme NAD+ est généralement considérée comme un accepteur de l'ion hydrure H- (bien qu'il n'ait pas été définitivement établi si le transfert d'un atome d'hydrogène vers cette coenzyme se produit simultanément avec le transfert d'électrons ou si ces processus se produisent séparément).
Suite à la réduction par addition d'un ion hydrure au NAD+, le cycle pyridinium est converti en un fragment 1,4-dihydropyridine.
Ce processus est réversible.
Dans la réaction d'oxydation, le cycle pyridinium aromatique est converti en un cycle 1,4-dihydropyridine non aromatique. En raison de la perte d’aromaticité, l’énergie du NADH augmente par rapport au NAD+. De cette façon, le NADH stocke l’énergie, qui est ensuite utilisée dans d’autres processus biochimiques nécessitant de l’énergie.
Des exemples typiques de réactions biochimiques impliquant le NAD+ sont l'oxydation de groupes alcool en groupes aldéhyde (par exemple, la conversion de l'éthanol en éthanal), et avec la participation du NADH, la réduction des groupes carbonyle en groupes alcool (la conversion de l'acide pyruvique en groupes alcool). acide lactique).
Réaction d'oxydation de l'éthanol impliquant le coenzyme NAD+ :
Lors de l'oxydation, le substrat perd deux atomes d'hydrogène, c'est-à-dire
deux protons et deux électrons. Le coenzyme NAD+, ayant accepté deux électrons et un proton, est réduit en NADH et l'aromaticité est perturbée. Cette réaction est réversible.
Lorsque la forme oxydée du coenzyme passe à la forme réduite, l'énergie libérée lors de l'oxydation du substrat s'accumule. L'énergie accumulée par la forme réduite est ensuite dépensée dans d'autres processus endergoniques impliquant ces coenzymes.
FAD - flavine adénine dinucléotide- une coenzyme qui participe à de nombreux processus biochimiques redox.
Le FAD existe sous deux formes - oxydé et réduit, sa fonction biochimique est généralement d'assurer la transition entre ces formes.
FAD peut être réduit à FADH2, auquel cas il accepte deux atomes d'hydrogène.
La molécule FADH2 est un vecteur d'énergie et la coenzyme réduite peut être utilisée comme substrat dans la réaction de phosphorylation oxydative dans les mitochondries.
La molécule FADH2 est oxydée en FAD, libérant l'équivalent d'énergie (stockée sous forme) à deux moles d'ATP.
La principale source de FAD réduit chez les eucaryotes est le cycle de Krebs et la β-oxydation des lipides. Dans le cycle de Krebs, FAD est un groupe prothétique de l'enzyme succinate déshydrogénase, qui oxyde le succinate en fumarate lors de l'oxydation des β-lipides, FAD est une coenzyme de l'acyl-CoA déshydrogénase.
Le FAD est formé à partir de riboflavine ; de nombreuses oxydoréductases, appelées flavoprotéines, utilisent le FAD comme groupe prothétique dans les réactions de transfert d'électrons pour leur travail.
Structure primaire des acides nucléiques : composition nucléotidique de l'ARN et de l'ADN, liaison phosphodiester. Hydrolyse des acides nucléiques.
Dans les chaînes polynucléotidiques, les unités nucléotidiques sont liées par un groupe phosphate. Le groupe phosphate forme deux liaisons ester : avec C-3' du précédent et avec C-5' des unités nucléotidiques suivantes (Fig. 1). Le squelette de la chaîne est constitué d'une alternance de résidus pentose et phosphate, et les bases hétérocycliques sont les groupes « latéraux » attachés aux résidus pentose.
Un nucléotide avec un groupe 5'-OH libre est appelé 5'-terminal, et un nucléotide avec un groupe 3'-OH libre est appelé 3'-terminal.
Riz. 1. Principe général de la structure d'une chaîne polynucléotidique
La figure 2 montre la structure d'une section arbitraire d'une chaîne d'ADN, comprenant quatre bases nucléiques. Il est facile d’imaginer combien de combinaisons peuvent être obtenues en faisant varier la séquence de quatre résidus nucléotidiques.
Le principe de construction de la chaîne d'ARN est le même que celui de l'ADN, à deux exceptions près : le résidu pentose de l'ARN est le D-ribose, et l'ensemble des bases hétérocycliques utilise l'uracile plutôt que la thymine.
La structure primaire des acides nucléiques est déterminée par la séquence d'unités nucléotidiques liées par des liaisons covalentes dans une chaîne polynucléotidique continue.
Pour faciliter l'écriture de la structure primaire, il existe plusieurs abréviations.
L’une d’elles consiste à utiliser les noms abrégés de nucléosides précédemment donnés. Par exemple, illustré sur la Fig. 2 fragments de chaîne d'ADN peuvent être écrits sous la forme d(ApCpGpTp...) ou d(A-C-G-T...). Souvent, le d est omis lorsqu’il est évident que l’ADN est impliqué.
7. Structure de l'enzyme.
Structure primaire d'une section de brin d'ADN
Une caractéristique importante des acides nucléiques est la composition nucléotidique, c'est-à-dire le rapport défini et quantitatif des composants nucléotidiques. La composition nucléotidique est généralement déterminée par l'étude des produits de clivage hydrolytique des acides nucléiques.
L'ADN et l'ARN diffèrent par leur comportement dans des conditions d'hydrolyse alcaline et acide.
L'ADN résiste à l'hydrolyse dans un environnement alcalin. L'ARN est facilement hydrolysé dans des conditions douces dans un environnement alcalin en nucléotides, qui, à leur tour, sont capables de séparer un résidu d'acide phosphorique dans un environnement alcalin pour former des nucléosides. Les nucléosides dans un environnement acide sont hydrolysés en bases hétérocycliques et en glucides.
Le concept de la structure secondaire de l'ADN. Complémentarité des bases nucléiques. Liaisons hydrogène dans des paires complémentaires de bases nucléiques.
La structure secondaire fait référence à l'organisation spatiale d'une chaîne polynucléotidique.
Selon le modèle Watson-Crick, la molécule d'ADN est constituée de deux chaînes polynucléotidiques, tordues à droite autour d'un axe commun pour former une double hélice. Les bases puriques et pyrimidiques sont dirigées vers l’intérieur de l’hélice. Des liaisons hydrogène se produisent entre la base purique d’une chaîne et la base pyrimidine de l’autre chaîne. Ces bases forment des paires complémentaires.
Des liaisons hydrogène se forment entre le groupe amino d'une base et le groupe carbonyle d'une autre -NH...O=C-, ainsi qu'entre les atomes d'azote amide et imine -NH...N.
Par exemple, comme indiqué ci-dessous, deux liaisons hydrogène se forment entre l'adénine et la thymine, et ces bases forment une paire complémentaire, c'est-à-dire
Autrement dit, l'adénine dans une chaîne correspondra à la thymine dans une autre chaîne. Une autre paire de bases complémentaires est la guanine et la cytosine, entre lesquelles se produisent trois liaisons hydrogène.
Les liaisons hydrogène entre bases complémentaires sont l'un des types d'interactions qui stabilisent la double hélice. Les deux brins d’ADN qui forment une double hélice ne sont pas identiques, mais complémentaires.
Cela signifie que la structure primaire, c'est-à-dire la séquence nucléotidique d'une chaîne détermine la structure primaire de la deuxième chaîne (Fig. 3).
Riz. 3. Complémentarité des chaînes polynucléotidiques dans la double hélice de l'ADN
La complémentarité des chaînes et la séquence des maillons constituent la base chimique de la fonction la plus importante de l'ADN : le stockage et la transmission des informations héréditaires.
Dans la stabilisation de la molécule d'ADN, ainsi que les liaisons hydrogène agissant à travers l'hélice, les interactions intermoléculaires dirigées le long de l'hélice entre des bases azotées voisines spatialement proches jouent un rôle important.
Parce que ces interactions sont dirigées le long de l’empilement des bases azotées de la molécule d’ADN, elles sont appelées interactions d’empilement. Ainsi, les interactions des bases azotées entre elles lient la double hélice de la molécule d’ADN le long et transversalement de son axe.
De fortes interactions d’empilement renforcent toujours les liaisons hydrogène entre les bases, favorisant ainsi le compactage de l’hélice.
En conséquence, les molécules d’eau de la solution environnante se lient principalement au squelette pentose phosphate de l’ADN, dont les groupes polaires sont situés à la surface de l’hélice. Lorsque l'interaction d'empilement est affaiblie, les molécules d'eau, pénétrant à l'intérieur de l'hélice, interagissent de manière compétitive avec les groupes polaires des bases, initient une déstabilisation et contribuent à une désintégration ultérieure de la double hélice. Tout cela indique le dynamisme de la structure secondaire de l'ADN sous l'influence des composants de la solution environnante.
4. Structure secondaire de la molécule d'ARN
9. Médicaments à base de bases d'acides nucléiques modifiées (fluorouracile, mercaptopurine) : structure et mécanisme d'action.
Les dérivés synthétiques des séries pyrimidine et purine sont utilisés comme médicaments en oncologie ; leur structure est similaire à celle des métabolites naturels (dans ce cas, les bases nucléiques), mais pas complètement identique à eux, c'est-à-dire
qui sont des antimétabolites. Par exemple, le 5-fluorouracile agit comme un antagoniste de l'uracile et de la thymine, et la 6-mercaptopurine agit comme un antagoniste de l'adénine.
En rivalisant avec les métabolites, ils perturbent la synthèse des acides nucléiques dans l’organisme à différentes étapes.
Il est préférable d'expliquer un matériel aussi volumineux que la photosynthèse en deux leçons jumelées - l'intégrité de la perception du sujet n'est alors pas perdue. La leçon doit commencer par l'histoire de l'étude de la photosynthèse, de la structure des chloroplastes et des travaux de laboratoire sur l'étude des chloroplastes des feuilles. Après cela, il faut passer à l’étude des phases claires et sombres de la photosynthèse. Pour expliquer les réactions se produisant dans ces phases, il est nécessaire d'établir un schéma général :
Comme vous l'expliquez, vous devez dessiner diagramme de la phase lumineuse de la photosynthèse.
1. L'absorption d'un quantum de lumière par une molécule de chlorophylle, située dans les membranes des grana thylakoïdes, entraîne la perte d'un électron et le transfère à un état excité. Les électrons sont transférés le long de la chaîne de transport d'électrons, entraînant la réduction du NADP + en NADP H.
2. La place des électrons libérés dans les molécules de chlorophylle est prise par les électrons des molécules d'eau - c'est ainsi que l'eau subit une décomposition (photolyse) sous l'influence de la lumière. Les hydroxyles OH– résultants deviennent des radicaux et se combinent dans la réaction 4 OH – → 2 H 2 O +O 2, conduisant à la libération d'oxygène libre dans l'atmosphère.
3. Les ions hydrogène H+ ne pénètrent pas dans la membrane thylakoïde et s'accumulent à l'intérieur, la chargeant positivement, ce qui entraîne une augmentation de la différence de potentiel électrique (EPD) à travers la membrane thylakoïde.
4. Lorsque la REF critique est atteinte, les protons se précipitent à travers le canal protonique. Ce flux de particules chargées positivement est utilisé pour produire de l’énergie chimique à l’aide d’un complexe enzymatique spécial. Les molécules d'ATP qui en résultent se déplacent dans le stroma, où elles participent aux réactions de fixation du carbone.
5. Les ions hydrogène libérés à la surface de la membrane thylakoïde se combinent avec des électrons pour former de l'hydrogène atomique, qui sert à restaurer le transporteur NADP +.
Le sponsor de l'article est le groupe de sociétés Aris. Production, vente et location d'échafaudages (façade à ossature LRSP, charpente de grande hauteur A-48, etc.) et de tours (PSRV "Aris", PSRV "Aris compact" et "Aris-dacha", plateformes). Pinces pour échafaudages, clôtures de chantier, supports de roues pour tours. Vous pouvez en savoir plus sur l'entreprise, consulter le catalogue de produits et les prix, les contacts sur le site Web, situé à l'adresse : http://www.scaffolder.ru/.
Après avoir réfléchi à cette problématique, l'analysant à nouveau selon le schéma, nous invitons les élèves à remplir le tableau.
Tableau. Réactions des phases claires et sombres de la photosynthèse
Après avoir rempli la première partie du tableau, vous pouvez procéder à l'analyse phase sombre de la photosynthèse.
Dans le stroma du chloroplaste, des pentoses sont constamment présents - des glucides, qui sont des composés à cinq carbones formés dans le cycle de Calvin (cycle de fixation du dioxyde de carbone).
1. Le dioxyde de carbone est ajouté au pentose, formant un composé instable à six carbones, qui se décompose en deux molécules d'acide 3-phosphoglycérique (PGA).
2. Les molécules PGA acceptent un groupe phosphate de l’ATP et sont enrichies en énergie.
3. Chacun des FHA attache un atome d’hydrogène à partir de deux porteurs, se transformant en un triose. Les trioses se combinent pour former du glucose puis de l'amidon.
4. Les molécules de triose, se combinant dans différentes combinaisons, forment des pentoses et sont à nouveau incluses dans le cycle.
Réaction totale de la photosynthèse :
Schème. Processus de photosynthèse
Test
1. La photosynthèse se produit dans les organites :
a) les mitochondries ;
b) les ribosomes ;
c) les chloroplastes ;
d) les chromoplastes.
2. Le pigment chlorophyllien est concentré dans :
a) coque chloroplastique ;
b) stroma ;
c) les céréales.
3. La chlorophylle absorbe la lumière dans la région spectrale :
a) rouge ;
b) vert ;
c) violet ;
d) dans toute la région.
4. L'oxygène libre pendant la photosynthèse est libéré lors de la dégradation de :
a) dioxyde de carbone ;
b)ATP ;
c) PNDA ;
d) de l'eau.
5. L'oxygène libre se forme dans :
a) phase sombre ;
b) phase lumineuse.
6. Dans la phase légère de la photosynthèse, l'ATP :
a) synthétisé ;
b) se divise.
7. Dans le chloroplaste, le glucide primaire est formé dans :
a) phase légère ;
b) phase sombre.
8. Le NADP est nécessaire dans le chloroplaste :
1) comme piège à électrons ;
2) comme enzyme pour la formation d'amidon ;
3) en tant que partie intégrante de la membrane chloroplastique ;
4) comme enzyme pour la photolyse de l'eau.
9. La photolyse de l’eau est :
1) accumulation d'eau sous l'influence de la lumière ;
2) dissociation de l'eau en ions sous l'influence de la lumière ;
3) libération de vapeur d'eau par les stomates ;
4) injection d'eau dans les feuilles sous l'influence de la lumière.
10. Sous l'influence des quanta de lumière :
1) la chlorophylle est convertie en NADP ;
2) un électron quitte la molécule de chlorophylle ;
3) le chloroplaste augmente de volume ;
4) la chlorophylle est convertie en ATP.
LITTÉRATURE
Bogdanova T.P., Solodova E.A. La biologie. Manuel destiné aux lycéens et aux candidats aux universités. – M. : SARL « AST-Press School », 2007.
Comme son nom l'indique, la photosynthèse est essentiellement la synthèse naturelle de substances organiques, convertissant le CO2 de l'atmosphère et de l'eau en glucose et en oxygène libre.
Cela nécessite la présence de l’énergie solaire.
L’équation chimique du processus de photosynthèse peut généralement être représentée comme suit :
La photosynthèse comporte deux phases : sombre et claire. Les réactions chimiques de la phase sombre de la photosynthèse diffèrent considérablement des réactions de la phase claire, mais les phases sombre et claire de la photosynthèse dépendent l'une de l'autre.
La phase lumineuse peut se produire dans les feuilles des plantes exclusivement à la lumière du soleil. Pour l'obscurité, la présence de dioxyde de carbone est nécessaire, c'est pourquoi la plante doit constamment l'absorber de l'atmosphère. Toutes les caractéristiques comparatives des phases sombres et claires de la photosynthèse seront fournies ci-dessous. A cet effet, un tableau comparatif « Phases de la Photosynthèse » a été créé.
Phase lumineuse de la photosynthèse
Les principaux processus de la phase lumineuse de la photosynthèse se produisent dans les membranes thylakoïdes. Cela implique la chlorophylle, les protéines de transport d’électrons, l’ATP synthétase (une enzyme qui accélère la réaction) et la lumière du soleil.
De plus, le mécanisme de réaction peut être décrit comme suit : lorsque la lumière du soleil frappe les feuilles vertes des plantes, des électrons de la chlorophylle (charge négative) sont excités dans leur structure, qui, passés à l'état actif, quittent la molécule de pigment et se retrouvent sur le à l'extérieur du thylakoïde, dont la membrane est également chargée négativement. Dans le même temps, les molécules de chlorophylle sont oxydées et celles déjà oxydées sont réduites, prenant ainsi des électrons à l'eau qui se trouve dans la structure de la feuille.
Ce processus conduit au fait que les molécules d'eau se désintègrent et que les ions créés à la suite de la photolyse de l'eau cèdent leurs électrons et se transforment en radicaux OH capables d'effectuer d'autres réactions. Ces radicaux OH réactifs se combinent ensuite pour créer des molécules d’eau et de l’oxygène à part entière. Dans ce cas, l’oxygène libre s’échappe dans le milieu extérieur.
À la suite de toutes ces réactions et transformations, la membrane thylakoïde de la feuille est chargée d'un côté positivement (à cause de l'ion H+) et de l'autre - négativement (à cause des électrons). Lorsque la différence entre ces charges des deux côtés de la membrane atteint plus de 200 mV, les protons passent par des canaux spéciaux de l'enzyme ATP synthétase et de ce fait, l'ADP est converti en ATP (à la suite du processus de phosphorylation). Et l’hydrogène atomique libéré par l’eau restaure le porteur spécifique NADP+ en NADP H2. Comme nous pouvons le voir, à la suite de la phase lumineuse de la photosynthèse, trois processus principaux se produisent :
- synthèse d'ATP ;
- création du NADP H2 ;
- formation d'oxygène libre.
Ce dernier est rejeté dans l'atmosphère, et le NADP H2 et l'ATP participent à la phase sombre de la photosynthèse.
Phase sombre de la photosynthèse
Les phases sombres et claires de la photosynthèse sont caractérisées par d'importantes dépenses énergétiques de la part de la plante, mais la phase sombre se déroule plus rapidement et nécessite moins d'énergie. Les réactions en phase sombre ne nécessitent pas la lumière du soleil et peuvent donc se produire de jour comme de nuit.
Tous les principaux processus de cette phase se déroulent dans le stroma du chloroplaste végétal et représentent une chaîne unique de transformations successives du dioxyde de carbone de l'atmosphère. La première réaction dans une telle chaîne est la fixation du dioxyde de carbone. Pour que cela se produise plus facilement et plus rapidement, la nature a fourni l’enzyme RiBP-carboxylase, qui catalyse la fixation du CO2.
Ensuite, tout un cycle de réactions se produit, dont l'achèvement est la conversion de l'acide phosphoglycérique en glucose (sucre naturel). Toutes ces réactions utilisent l’énergie de l’ATP et du NADP H2, créés lors de la phase lumineuse de la photosynthèse. Outre le glucose, la photosynthèse produit également d’autres substances. Parmi eux se trouvent divers acides aminés, acides gras, glycérol et nucléotides.
Phases de la photosynthèse : tableau comparatif
Critères de comparaison | Phase lumineuse | Phase sombre |
lumière du soleil | Requis | Non requis |
Lieu de réaction | Grana de chloroplaste | Strom chloroplastique |
Dépendance à la source d'énergie | Cela dépend de la lumière du soleil | Dépend de l'ATP et du NADP H2 formés dans la phase légère et de la quantité de CO2 de l'atmosphère |
Matières premières | Chlorophylle, protéines de transport d'électrons, ATP synthétase | Gaz carbonique |
L'essence de la phase et ce qui se forme | L'O2 libre est libéré, l'ATP et le NADP H2 se forment | Formation de sucre naturel (glucose) et absorption du CO2 de l'atmosphère |
Photosynthèse - vidéo
Les réactions sombres qui se produisent dans le stroma ne nécessitent pas de lumière. La réduction du CO 2 se produit grâce à l'énergie (ATP) et à la force réductrice (NADPH 2) générées lors des réactions lumineuses. Les réactions sombres sont contrôlées par des enzymes. La séquence de ces réactions a été déterminée aux États-Unis par Calvin, Benson et Bassem entre 1946 et 1953 ; en 1961, Calvin reçut le prix Nobel pour ces travaux.
Les expériences de Calvin
Les travaux de Calvin étaient basés sur l'utilisation de l'isotope radioactif du carbone 14 C (demi-vie 5570 ans, voir annexe 1.3), qui n'est devenu accessible aux chercheurs qu'en 1945. De plus, Calvin a utilisé la chromatographie sur papier, qui à cette époque était relativement méthode nouvelle, pas encore un peu courante. Des cultures d'algues vertes unicellulaires Chlorella (Chlorella) ont été cultivées dans un appareil spécial (Fig. 9.17). La culture a été maintenue à 14 CO 2 pendant différentes durées, puis les cellules ont été rapidement fixées en versant la suspension dans du méthanol chaud. Les produits photosynthétiques solubles ont été extraits, concentrés et séparés à l'aide de chromatographie sur papier bidimensionnelle(Fig. 9.18 et Annexe 1.8.2). L’objectif était de retracer le chemin par lequel le carbone marqué passe (à travers une série de produits intermédiaires) jusqu’aux produits finaux de la photosynthèse. La position des composés radioactifs sur le papier a été déterminée à l'aide de autoradiographie: pour ce faire, un film photographique sensible au rayonnement 14 C a été placé sur le chromatogramme, et il a été exposé, c'est-à-dire noirci, aux endroits où se trouvaient des substances radioactives (Fig. 9.18). En seulement une minute d'incubation avec 14 CO 2, de nombreux sucres et acides organiques, dont divers acides aminés, ont été synthétisés. Cependant, Calvin a pu, grâce à des expositions très courtes - pendant 5 secondes ou moins - identifier le premier produit de la photosynthèse et établir qu'il s'agissait d'un acide contenant trois atomes de carbone, à savoir acide phosphoglycérique(FGK). Il a ensuite compris toute la chaîne des intermédiaires à travers lesquels le carbone fixé est transmis ; ces étapes seront discutées plus tard. Depuis lors, ces réactions sont appelées Cycle de Calvin(ou le cycle Calvin-Benson-Bassem).
Riz. 9.18. A. Fixation du 14 CO 2 dans les algues sous éclairage de courte durée. Détermination des produits de fixation par chromatographie sur papier et autoradiographie. B. Autoradiographies de produits de photosynthèse obtenues après illumination de courte durée d'algues en présence de 14 CO 2
9.18. Quels sont les avantages de l’utilisation d’isotopes radioactifs à vie longue dans la recherche biologique ?
9.19. Quels avantages pouvez-vous obtenir en prenant de la chlorelle au lieu d’une plante supérieure ?
9h20. Pourquoi le vaisseau de l'appareil Calvin est-il plat et non sphérique ?
Étapes de la voie carbone
Fixation du dioxyde de carbone :
L'accepteur de CO 2 est un sucre à cinq carbones (pentose) bisphosphate de ribulose(c'est-à-dire du ribulose avec deux groupes phosphate ; ce composé était auparavant appelé ribulose diphosphate). L'ajout de CO 2 à une substance particulière est appelé carboxylation, et l'enzyme qui catalyse une telle réaction est carboxylase. Le produit à six carbones résultant est instable et se décompose immédiatement en deux molécules acide phosphoglycérique(FGK), qui est le premier produit de la photosynthèse. L’enzyme ribulose bisphosphate carboxylase se trouve en grande quantité dans le stroma des chloroplastes – c’est en fait la protéine la plus abondante au monde.
Phase de récupération:
Le FHA contient trois atomes de carbone et possède un groupe carboxyle acide (-COOH). TP est le phosphate de triose, ou phosphate de glycéraldéhyde (sucre à trois carbones) ; il possède un groupe aldéhyde (-CHO).
Pour éliminer l’oxygène du PGA (c’est-à-dire le restaurer), la force réductrice du NADPH 2 et l’énergie de l’ATP sont utilisées. La réaction se déroule en deux étapes : d'abord, une partie de l'ATP formé lors des réactions lumineuses est consommée, puis la totalité du NADP·H 2, également obtenu à la lumière, est utilisée. Le résultat global est la réduction du groupe carboxyle de l'acide (-COOH) en groupe aldéhyde (-CHO). Le produit de la réaction est du triose phosphate, c’est-à-dire un sucre à trois carbones auquel est attaché un groupe phosphate. Ce composé a plus d'énergie chimique que le PGA et est le premier glucide produit par la photosynthèse.
Régénération de l'accepteur de CO 2 - ribulose bisphosphate. Une partie du triose phosphate (TP) doit être dépensée pour la régénération du ribulose bisphosphate, qui est utilisé dans la première réaction. Ce processus est un cycle complexe qui implique des sucres phosphates comportant 3, 4, 5, 6, 7 atomes de carbone. C’est là que le reste de l’ATP est utilisé. Toutes les réactions sombres sont résumées dans la Fig. 9.19. Sur cette figure, le cycle de Calvin est représenté comme une « boîte noire », dans laquelle le CO 2 et le H 2 O entrent d'un côté et le phosphate de triose sort de l'autre côté. Comme le montre ce diagramme, le résidu ATP est utilisé pour phosphoryler le bisphosphate de ribulose, mais les détails de cette chaîne complexe de réactions ne sont pas présentés.
De la fig. 9.19, nous pouvons dériver l’équation récapitulative suivante :
Il est important de noter ici que la formation de deux molécules de triose phosphate nécessite six molécules de CO 2. L'équation peut être simplifiée en divisant tous les coefficients par 6 :
9.21. Redessinez la figure. 9.19, indiquant uniquement le nombre d'atomes de carbone participant aux réactions ; par exemple, au lieu de 6 RiBF, écrivez "6 × 5C", etc.
Les informations de base sur le processus de photosynthèse sont résumées dans le tableau. 9.6.
Réactions lumineuses | Des réactions sombres | |
Localisation dans les chloroplastes | Thylakoïdes | Stroma |
Réactions | Photochimiques, c'est-à-dire qu'ils ont besoin de lumière. L'énergie lumineuse provoque le transfert d'électrons des « donneurs » d'électrons vers leurs « accepteurs » selon un chemin non cyclique ou cyclique. Deux photosystèmes sont impliqués - Ι et ΙΙ. Ils contiennent des molécules de chlorophylle qui, lorsqu'elles absorbent l'énergie lumineuse, émettent des électrons. L'eau sert de donneur d'électrons pour la voie non cyclique. Le transfert d'électrons conduit à la formation d'ATP (photophosphorylation) et de NADPH 2 (voir également tableau 9.5). | Ils n'ont pas besoin de lumière. Le CO 2 est fixé lorsqu'il se lie à un accepteur à cinq carbones, le ribulose bisphosphate (RiBP) ; dans ce cas, deux molécules du composé à trois carbones acide phosphoglycérique (PGA), premier produit de la photosynthèse, se forment. Un certain nombre de réactions se produisent, collectivement appelées le cycle de Calvin ; dans ce cas, l'accepteur de CO 2 -RiBP est régénéré et le FGA est réduit, se transformant en sucre (voir aussi Fig. 9.19). |
Équations combinées |