11-тақырып Цитология · зертханалық 3D виртуалды жұмыс
Фотосинтез
Жарықтан өмір жасау
Фотосинтез пигменттері, жарық және қараңғы фазалар, C₃, C₄, CAM жолдары, фотосинтезге әсер ететін факторлар
☀️ Жарық фазасы🌙 Кальвин циклі📱 3 QR-тапсырма
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
02 Сабақ құрылымы
Оқу нәтижелері және жоспар
🎯 Мақсаты
Фотосинтездің жарық және қараңғы фазаларын хлоропластың құрылысымен байланыстыра отырып 3D модельдер арқылы зерттеу, оның планетарлық маңызы мен әсер ететін факторларды талдау.
Сабақ соңында студент:
- фотосинтез пигменттерін және олардың сіңіру спектрін сипаттайды;
- жарық фазасының процестерін (фотожүйелер, фотолиз, фотофосфорлану) түсіндіреді;
- Кальвин циклінің кезеңдерін және RuBisCO рөлін сипаттайды;
- C₃, C₄ және CAM өсімдіктерін салыстырады;
- фотосинтез бен тыныс алуды салыстырып, шектеуші факторларды талдайды.
⏱ Жоспар · 80 минут
5′Мотивация: проблемалық сұрақ
10′Алдыңғы білімді белсендіру
30′Жаңа тақырып: 3D модельдермен түсіндіру
10′3D-препарат: тақтада тану
15′QR-зертхана: 3 тапсырма
10′Кейс · бағалау · рефлексия
Проблемалық сұрақБіз дем алатын оттегі CO₂-ден емес, судан шығады. Мұны қалай дәлелдеген?
3D-визуализацияКейс-стадиФормативті бағалау
03 Негізгі ұғымдар
Терминдер мен анықтамалар
ФотосинтезЖарық энергиясының есебінен көмірқышқыл газы мен судан органикалық заттардың (глюкоза) түзіліп, оттегінің бөлінуі; хлоропластарда жүреді.
АвтотрофтарБейорганикалық заттардан органикалық заттарды өздері синтездейтін ағзалар: фототрофтар (жарық энергиясы) және хемотрофтар (химиялық реакция энергиясы).
Фотосинтездік пигменттерЖарықты сіңіретін молекулалар: хлорофилл a (негізгі), хлорофилл b, каротиноидтар (каротин, ксантофилл), балдырларда фикобилиндер.
ХлорофиллОрталығында Mg²⁺ ионы бар порфирин сақинасы мен фитол «құйрығынан» тұратын жасыл пигмент; көк (430–450 нм) және қызыл (640–680 нм) жарықты сіңіреді.
ФотожүйеТилакоид мембранасындағы жарық жинайтын антенна кешені мен реакциялық орталықтан тұратын пигмент-белоктық кешен: ФЖ II (P680) және ФЖ I (P700).
Жарық фазасыТилакоид мембранасында жүретін, жарыққа тәуелді кезең: судың фотолизі, электрон тасымалы, АТФ пен НАДФН түзілуі, O₂ бөлінуі.
Судың фотолизіФЖ II-дегі марганецті кешен (OEC) арқылы судың ыдырауы: 2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂; атмосферадағы оттегінің көзі.
ФотофосфорлануТилакоид мембранасындағы протон градиенті есебінен АТФ-синтаза арқылы АТФ түзілуі; циклдік (тек ФЖ I) және циклдік емес түрлері бар.
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
04 Негізгі ұғымдар
Анықтамалар · жалғасы
Қараңғы фаза (Кальвин циклі)Стромада жүретін, АТФ пен НАДФН энергиясымен CO₂-нің органикалық затқа бекітілуі; тікелей жарықты қажет етпейді.
РубискоРибулоза-1,5-бисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа — CO₂-ні бекітетін фермент; жер бетіндегі ең көп белок, бірақ баяу және O₂-мен де әрекеттеседі.
Фототыныс алуРубисконың CO₂ орнына O₂-ні байланыстыруынан басталатын, көміртек пен энергияны шығындайтын процесс; ыстық, құрғақ күндері күшейеді.
Компенсация нүктесіФотосинтез жылдамдығы тыныс алу жылдамдығына тең болатын жарық қарқындылығы немесе CO₂ концентрациясы; таза өнім нөлге тең.
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
05 Зерттелу тарихы
Ашылу тарихы
1648Я. ван Гельмонт — тал өсімдігінің массасы топырақтан емес, «судан» артады
1771Дж. Пристли — өсімдік «бұзылған ауаны» тазартады (шам мен тышқан тәжірибесі)
1779Я. Ингенхауз — бұл тек жарықта және жасыл бөліктерде жүреді
1804Н. Соссюр — су мен CO₂ органикалық затқа айналады
1875К. А. Тимирязев — хлорофилл қызыл және көк сәулелерді сіңіреді; өсімдіктің ғарыштық рөлі
1941С. Рубен, М. Камен — ¹⁸O изотопымен: бөлінетін O₂ судан шығады
1950-шіМ. Кальвин — ¹⁴CO₂-мен қараңғы фаза циклі (Нобель 1961)
1966М. Хэтч, К. Слэк — C₄ жолы; 1985 — фотосинтездік реакциялық орталықтың құрылымы (Нобель 1988)
Фотосинтездің ғаламдық маңызы
≈ 200 млрд тжылына бекітілетін көміртек
≈ 21%атмосферадағы O₂ — фотосинтез өнімі
Озон қабатыO₂-ден түзіліп, УК сәуледен қорғайды
Қазба отынЕжелгі фотосинтездің жинақталған энергиясы
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
06 Жалпы түсінік
Фотосинтез теңдеуі
6CO₂ + 12H₂O —(жарық, хлорофилл)→ C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O
Пигменттер
- Хлорофилл a (негізгі, реакция орталығы) және b (қосымша)
- Каротиноидтар: каротин, ксантофилл — қосымша және қорғаныс
- Сіңіру: көк (430–450 нм) және қызыл (640–680 нм); жасыл шағылысады
- Антенна кешендері энергияны реакция орталығына жеткізеді
O₂ қайдан?Рубен мен Камен (1941): H₂¹⁸O берілгенде ¹⁸O₂ бөлінді — оттегі судан
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
07 Жарық фазасы
Тилакоид мембранасында
Процестер
- ФЖ II (P680) жарық сіңіріп, электрон береді; орнына судан электрон алады
- Фотолиз: 2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂↑
- Электрондар: пластохинон → цитохром b6f → пластоцианин → ФЖ I (P700)
- ФЖ I → ферредоксин → НАДФ⁺ + 2e⁻ + H⁺ → НАДФ·Н
- Люменде H⁺ жиналып, АТФ-синтаза арқылы шығады → АТФ (фотофосфорлану)
ЦиклдікТек ФЖ I; тек АТФ
Циклдік емесФЖ II + ФЖ I; АТФ + НАДФ·Н + O₂
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
08 Қараңғы фаза
Кальвин циклі
1 · КарбоксилденуCO₂ + рибулозо-1,5-бисфосфат → 2 ФГҚ (RuBisCO)
2 · ТотықсыздануФГҚ + АТФ + НАДФ·Н → глицеральдегид-3-фосфат
3 · РегенерацияРуБФ қалпына келеді (АТФ)
Нәтиже6 CO₂ + 18 АТФ + 12 НАДФ·Н → 1 глюкоза
RuBisCOЖер бетіндегі ең көп белок; оттегімен де әрекеттеседі → фототыныс алу (шығын)
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
09 Бейімделу
C₃, C₄ және CAM
| Белгі | C₃ | C₄ | CAM |
|---|---|---|---|
| Алғашқы өнім | 3-ФГҚ (3C) | Оксалоацетат (4C) | Малат (түнде) |
| Мысал | Бидай, күріш | Жүгері, қант құрағы | Кактус, ананас |
| Ерекшелік | Фототыныс көп | Кеңістікте бөлінген (Кранц) | Уақытта бөлінген |
| Орта | Қоңыржай | Ыстық, жарық | Шөл |
Шектеуші факторлар
- Жарық қарқындылығы, CO₂ концентрациясы, температура
- Су, минералды заттар (Mg, N, Fe)
- Ең аз факторға тәуелділік (Блэкман)
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
10 Пигменттер
Пигменттер және жарық спектрі
| Пигмент | Түсі | Сіңіру максимумы | Рөлі |
|---|---|---|---|
| Хлорофилл a | Көкшіл-жасыл | 430, 662 нм | Реакциялық орталық (P680, P700) |
| Хлорофилл b | Сарғыш-жасыл | 453, 642 нм | Антенна — спектрді кеңейтеді |
| β-каротин | Қызғылт сары | 450–490 нм | Антенна + фотоқорғаныш |
| Ксантофиллдер | Сары | 420–480 нм | Артық энергияны жылуға (ксантофилл циклі) |
Неге жапырақ жасыл?
Хлорофилл көк пен қызыл сәулені сіңіріп, жасыл сәулені шағылыстырады. Әсер спектрі (фотосинтез жылдамдығы) сіңіру спектріне сәйкес келеді — Т. Энгельманның тәжірибесі (1882): аэробты бактериялар спиротираның қызыл және көк жарық түскен бөліктеріне жиналды.
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
11 Электрон тасымалы
Z-схема: электрон жолы
Циклдік емес тасымал
- Жарық ФЖ II антеннасына түсіп, P680 қозады → электрон феофитинге, одан пластохинонға (PQ) беріледі
- P680⁺ электронды судан алады — фотолиз, O₂ бөлінеді, H⁺ люменге
- PQH₂ → цитохром b₆f кешені (H⁺ люменге айдалады) → пластоцианин (PC)
- ФЖ I-де P700 екінші рет қозып, электрон ферредоксинге (Fd) беріледі
- ФНР ферменті: НАДФ⁺ + 2e⁻ + H⁺ → НАДФН
Циклдік тасымалЭлектрон Fd-ден кері b₆f-ке қайтады: тек АТФ түзіледі, НАДФН мен O₂ жоқ — АТФ/НАДФН қатынасын реттейді
ГербицидтерДиурон (DCMU) — ФЖ II-ні, паракват — ФЖ I-ді бөгейді
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
12 Кальвин циклі
Кальвин циклінің үш кезеңі
| Кезең | Реакция | Жұмсалады |
|---|---|---|
| 1. Карбоксилдену | 3 РуБФ + 3 CO₂ → 6 ФГҚ (3-фосфоглицерат) — Рубиско | — |
| 2. Тотықсыздану | 6 ФГҚ → 6 Г3Ф (глицеральдегид-3-фосфат) | 6 АТФ, 6 НАДФН |
| 3. Регенерация | 5 Г3Ф → 3 РуБФ (1 Г3Ф — өнім) | 3 АТФ |
1 глюкоза = 6 CO₂ + 18 АТФ + 12 НАДФН
Өнімнің тағдыры
- Хлоропласта — уақытша (ассимиляциялық) крахмал
- Цитозольде — сахароза: флоэма арқылы тасымалданады
- Аминқышқылдар, май қышқылдары синтезі
- Тиоредоксин жүйесі ферменттерді жарықта ғана іске қосады
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
13 Шектеуші факторлар
Фотосинтез жылдамдығына не әсер етеді?
Жарық қарқындылығыКомпенсация нүктесінен қанығуға дейін сызықты өседі; артық жарық — фотоингибирлеу
CO₂ концентрациясыАуада 0,04%; жылыжайда 0,1–0,15%-ға көтеру өнімді 30–50% арттырады
ТемператураҚараңғы фаза ферменттік: оптимум 25–30 °C (C₃), 35–45 °C (C₄)
СуТапшылығында устьицалар жабылып, CO₂ кірмейді
Минералдық қорекN, Mg (хлорофилл), Fe (цитохромдар), Mn (фотолиз) — тапшылығы хлорозға әкеледі
Ф. Блэкман заңы (1905)Жылдамдықты ең тапшы фактор шектейді
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
14 Салыстыру
Фотосинтез бен тыныс алу
| Белгі | Фотосинтез | Жасушалық тыныс алу |
|---|---|---|
| Органоид | Хлоропласт | Митохондрия |
| Бастапқы заттар | CO₂, H₂O, жарық | Глюкоза, O₂ |
| Өнімдер | Глюкоза, O₂ | CO₂, H₂O, АТФ |
| Энергия | Жиналады (эндотермиялық) | Бөлінеді (экзотермиялық) |
| Протон градиенті | Люмен → строма | Мембрана аралық кеңістік → матрикс |
| Электрон тасымалдаушы | НАДФН | НАДН, ФАДН₂ |
| Соңғы электрон акцепторы | НАДФ⁺ | O₂ |
Ортақ принципЕкеуінде де электрон тасымалы мембрана арқылы протон градиентін түзеді, оны АТФ-синтаза пайдаланады — хемиосмос (Митчелл).
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
15 Қорытынды
Тақырыптың негізгі түйіндері
- Фотосинтез — жарық энергиясымен CO₂ мен H₂O-дан органикалық зат түзу; 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂.
- Пигменттер: хлорофилл a (реакциялық орталық), хлорофилл b мен каротиноидтар (антенна, қорғаныш); көк пен қызыл сәуле сіңіріледі.
- Жарық фазасы тилакоидта: судың фотолизі (O₂ көзі), ФЖ II → b₆f → ФЖ I электрон тасымалы, АТФ мен НАДФН түзілуі.
- Фотофосфорлану хемиосмос арқылы: H⁺ люменде жиналып, АТФ-синтаза арқылы стромаға өтеді.
- Қараңғы фаза (Кальвин циклі) стромада: карбоксилдену (Рубиско), тотықсыздану, РуБФ регенерациясы.
- Фототыныс алу C₃ өсімдіктерде өнімді азайтады; C₄ және CAM өсімдіктері CO₂-ні концентрлеу арқылы оны болдырмайды.
- Жылдамдықты жарық, CO₂, температура, су және минералдар шектейді (Блэкман заңы).
- Фотосинтез — биосферадағы органикалық заттың, атмосфералық оттегінің және озон қабатының көзі.
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
16 Өзін-өзі тексеру
Сұрақ — жауап
1.Фотосинтезде бөлінетін оттегі қай заттан шығады? Қалай дәлелденді?
👆 жауабын көру үшін бас
Судан. Рубен мен Камен ¹⁸O-мен таңбаланған су берген кезде бөлінген O₂ таңбаланған болды, ал C¹⁸O₂ бергенде — таңбасыз.
2.Жарық фазасының қараңғы фазаға беретін өнімдері қандай?
👆 жауабын көру үшін бас
АТФ және НАДФН.
3.Бір глюкоза синтезі үшін Кальвин циклі неше рет айналуы керек?
👆 жауабын көру үшін бас
6 рет (әр айналымда 1 CO₂ бекітіледі); 18 АТФ және 12 НАДФН жұмсалады.
4.Ыстық құрғақ күні C₃ өсімдіктерде фотосинтез неге төмендейді?
👆 жауабын көру үшін бас
Устьицалар жабылып, жапырақта CO₂ азаяды, O₂ көбейеді → Рубиско оксигеназа ретінде жұмыс істеп, фототыныс алу күшейеді.
5.Неге магний тапшылығында жапырақ сарғаяды?
👆 жауабын көру үшін бас
Mg²⁺ хлорофиллдің орталық атомы; хлорофилл синтезделмейді → хлороз.
6.DCMU гербициді өсімдікті қалай өлтіреді?
👆 жауабын көру үшін бас
ФЖ II-ден пластохинонға электрон тасымалын бөгейді → АТФ пен НАДФН түзілмейді, Кальвин циклі тоқтайды, белсенді оттегі түрлері зақымдайды.
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
17 3D-препарат · тақтада
Нөмірді ата, басып тексер
👆 Қалай ойнаймыз
- Студент тақтаға шығып, нөмірді атайды және құрылымның қызметін айтады
- Сары нөмірді басса — дұрыс жауап ашылады
- Модельді айналдырып, барлық нөмірді тап
Талқылауға
- Фотолиз кезінде бөлінген электрондар қайда барады?
- Неге Кальвин циклі «қараңғы» деп аталса да жарықта жүреді?
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
18 QR-зертхана · телефонмен
Үш виртуалды тапсырма
🔬 1 · 3D-препарат
3D модельде белгіленген құрылымды тап. 10 раунд.
20 балл🧬 2 · Фотосинтез шебері
Электрон жолы, есептер, фазаларды сұрыптау
20 балл🩺 3 · Кейс-тест
10 сұрақ: құрылыс → қызмет → патология. Жауаптар тексергеннен кейін ашылады.
20 баллКодсыз ашылады · аты-жөніңді жаз · соңғы экранның скриншотын жұмыс парағына тірке
19 Клиникалық / зерттеу кейсі
Білімді қолдан
Кейс 1 · Жылыжай
Фермер қыста жылыжайда қызанақ өсіреді: жарық шамдары күшті, бірақ өнім аз; ауаны желдетпейді.
Сұрақ: Шектеуші факторды анықта. Өнімді қалай арттыруға болады?
Кейс 2 · Гербицид
Атразин себілген егістікте арамшөптер солып, жапырақтары ағарды.
Сұрақ: Гербицид фотосинтездің қай кезеңін тежейді? Неге жарықта зақым тезірек?
Кейс 3 · Климат
CO₂ концентрациясы өскен сайын бидай өнімі артуы мүмкін, ал жүгері өнімі аз өзгереді.
Сұрақ: C₃ және C₄ жолдарының айырмашылығымен түсіндір.
Топпен талқылау 5 минут · жауапты жұмыс парағына жаз
20 Бағалау · Рефлексия
Не білдім, не үйрендім?
📊 Бағалау · 100 балл
| Жұмыс түрі | Балл |
|---|---|
| QR-1 «3D-препарат» | 20 |
| QR-2 «Фотосинтез шебері» | 20 |
| QR-3 «Кейс-тест» | 20 |
| Жұмыс парағы | 30 |
| 3D-препарат, кейс талқылау | 10 |
90–100 «өте жақсы» · 75–89 «жақсы» · 50–74 «қанағаттанарлық»
🪞 Рефлексия «3–2–1»
- 3 — бүгін түсінген ұғым
- 2 — құрылыс пен қызмет байланысының мысалы
- 1 — әлі де сұрағым келетін сұрақ
🏠 Өздік жұмыс (СӨЖ)
- Элодея бұтағымен жарық қарқындылығына тәуелді O₂ көпіршіктерін санау тәжірибесін жаса
- Келесі тақырып: Пластидтер