Фотосинтеза и клетъчно дишане са двете теми, които въпросите на изпита най-често събират в една задача — като сравнение, като схема с липсващо звено или като въпрос от типа „в кой органел протича това“. Който ги е учил поотделно, обикновено знае и двата процеса, но се обърква в момента, в който трябва да ги съпостави.
Краткият отговор, от който тръгва всичко останало: фотосинтезата изгражда органично вещество и натрупва енергия в химичните връзки, а клетъчното дишане разгражда това вещество и освобождава енергията в удобна за клетката форма — АТФ. Фотосинтезата протича в хлоропласта, клетъчното дишане започва в цитоплазмата и продължава в митохондрията. Всичко, което се пита на изпита, е вариация на тези две изречения.
Фотосинтеза: какво става в тилакоида и какво в стромата
Фотосинтезата се дели на две фази, които протичат на различни места в хлоропласта и дават различни продукти. Разделянето по място е най-честият капан в тестовете.
Светлинна фаза — в тилакоидните мембрани
Светлинната фаза се разиграва в мембраните на тилакоидите, където е разположен хлорофилът. Хлорофилът поглъща светлинна енергия и я превръща в химична. Тук се случват три неща, които трябва да се знаят като продукти:
- Фотолиза на водата — водната молекула се разгражда, при което се отделя кислород. Кислородът, който излиза от растението, идва от водата, а не от въглеродния диоксид.
- Синтез на АТФ — енергията от пренос на електрони се използва за фосфорилиране.
- Редуциране на НАДФ⁺ до НАДФН — преносителят, който ще отнесе водородните атоми към втората фаза.
Изходни вещества: вода и светлина. Продукти: кислород, АТФ и НАДФН.
Тъмнинна фаза — в стромата
Тъмнинната фаза протича в стромата на хлоропласта и не се нуждае пряко от светлина, но изцяло зависи от АТФ и НАДФН, произведени в светлинната фаза. Името подвежда: „тъмнинна“ не значи „нощем“. Тук въглеродният диоксид се свързва и се редуцира до въглехидрат чрез цикъла на Калвин.
Изходни вещества: въглероден диоксид, АТФ и НАДФН. Продукт: въглехидрат, а също и АДФ и НАДФ⁺, които се връщат обратно в светлинната фаза.
Обобщеното уравнение, което се пише на изпита: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂, в присъствие на светлина и хлорофил.
Клетъчно дишане: трите етапа и къде протича всеки
Аеробното клетъчно дишане има три етапа, разположени на три различни места в клетката. Ако знаеш локализацията, половината въпроси падат сами.
- Гликолиза — в цитоплазмата. Една молекула глюкоза се разгражда до две молекули пирогроздена киселина. Не изисква кислород. Нетен добив: 2 АТФ и 2 НАДН.
- Цикъл на Кребс — в матрикса на митохондрията. Преди него пирогроздената киселина се окислява и декарбоксилира до ацетилова група, свързана с коензим А. В самия цикъл се отделя въглероден диоксид и се натрупват преносители — НАДН и ФАДН₂ — плюс 2 АТФ на разградена глюкоза.
- Окислително фосфорилиране — във вътрешната митохондриална мембрана. Електроните от НАДН и ФАДН₂ преминават през дихателната верига, а кислородът е краен акцептор и се свързва с водород до вода. Тук се произвежда основната част от АТФ.
За енергийния добив: учебниците работят с числото 38 АТФ на молекула глюкоза (2 от гликолизата, 2 от цикъла на Кребс и около 34 от окислителното фосфорилиране). Съвременните измервания дават по-ниска реална стойност, защото част от енергията се харчи за пренос през мембраните — но на изпита се очаква числото от учебника, по който се подготвяш. Ако въпросът е с разширен отговор, най-сигурно е да посочиш добива по етапи, а не само общата сума.
Сравнителна таблица на двата процеса
| Признак | Фотосинтеза | Клетъчно дишане |
|---|---|---|
| Изходни вещества | Въглероден диоксид и вода | Глюкоза и кислород |
| Крайни продукти | Въглехидрат и кислород | Въглероден диоксид, вода и АТФ |
| Място в клетката | Хлоропласт — тилакоиди и строма | Цитоплазма и митохондрия |
| Отношение към енергията | Поглъща светлинна енергия и я натрупва в химични връзки | Освобождава натрупаната енергия и я превръща в АТФ |
| При кои организми | Растения, водорасли и някои бактерии | Практически всички живи клетки, включително растителните |
| Кога протича | Само при осветяване | Непрекъснато, денем и нощем |
Анаеробно разграждане: двете ферментации
Когато кислород липсва, гликолизата продължава, но пирогроздената киселина не може да влезе в митохондрията. Клетката трябва по някакъв начин да върне НАДН обратно до НАД⁺, иначе гликолизата спира. Точно това е смисълът на ферментацията — регенерация на преносителя, а не производство на енергия.
- Млечнокисела ферментация — пирогроздената киселина се редуцира до млечна киселина. Не се отделя въглероден диоксид. Протича при млечнокиселите бактерии и в мускулните клетки при недостиг на кислород.
- Алкохолна ферментация — пирогроздената киселина се превръща в етилов алкохол и се отделя въглероден диоксид. Протича при дрождите.
Разликата, която се пита най-често: отделя ли се въглероден диоксид и какъв е крайният продукт. И при двете добивът е само 2 АТФ на молекула глюкоза — онези от гликолизата. Това е и обяснението защо анаеробните организми растат бавно, а мускулът не издържа дълго на кислороден дефицит.
Връзката между двата процеса и защо „растенията само отделят кислород“ е грешно
Продуктите на единия процес са изходните вещества на другия. Фотосинтезата произвежда кислород и органично вещество; клетъчното дишане ги използва и връща въглероден диоксид и вода обратно в средата. Така се затваря кръговратът на въглерода — и точно това е връзката, която задачите с разширен отговор искат да чуят.
Оттук идва и една от най-устойчивите грешки. Растенията притежават митохондрии и дишат непрекъснато, включително нощем. През светлата част от денонощието фотосинтезата протича по-интензивно от дишането, затова навън излиза кислород. На тъмно фотосинтеза няма, остава само дишането — и растението отделя въглероден диоксид. Твърдението „растенията само отделят кислород“ описва нетния резултат през деня, не самия процес.
Втората типична грешка е да се напише, че хлоропластът замества митохондрията в растителната клетка. Не я замества — в растителната клетка има и двата органела и те вършат противоположна работа. Ако тази част още се върти в главата, върви добре в уроците по биология, където схемата се разчертава заедно, а не се запомня наизуст.
Фотосинтеза и клетъчно дишане: как изглеждат въпросите на изпита
По темата се срещат четири формулировки и си струва да се тренират именно като формулировки, а не като преразказ на урока:
- Разпознаване на етап по продукт. Дава се вещество — кислород, НАДФН, млечна киселина, ФАДН₂ — и се пита от кой етап идва. Работи се наобратно: първо органелът, после фазата.
- Локализация в клетката. „Къде протича окислителното фосфорилиране“ е въпрос за вътрешната митохондриална мембрана, не за митохондрията изобщо. Отговорите с точното подразделение носят пълните точки.
- Четене на схема. Дава се блокова схема със стрелки и празни полета. Ориентирът са стрелките: какво влиза и какво излиза, а не надписите.
- Съпоставяне. Таблица или изречения за довършване, в които двата процеса се сравняват по изходни вещества, продукти и енергия.
Форматът на самия изпит зависи от това къде се явяваш. На държавния зрелостен изпит по биология има и задачи с избираем отговор, и задачи със свободен отговор, при които се пише кратък текст или се допълва схема — форматът на матурата по биология е разгледан подробно отделно. Кандидатстудентският изпит по биология в МУ-София е писмен и продължава два астрономически часа, а задачите в него са от три типа: тестови с готови отговори, въпроси с кратък и еднозначен отговор и въпроси с разширен отговор, където се очаква и схематично представяне на процеса.
Точният брой задачи, разпределението на точките и графикът се обявяват наново за всяка кампания — числата за текущата година се проверяват на сайта на Министерството на образованието и науката за матурата и в правилника за прием на съответния университет за кандидатстудентския изпит.
Как да се подготвиш по темата
- Начертай двата процеса на един лист — хлоропласт отляво, митохондрия отдясно — и свържи продуктите на единия с изходните вещества на другия.
- Научи локализацията преди химията. Повечето точки по темата се печелят от „къде“, не от „как точно“.
- Напиши таблицата за сравнение по памет и чак тогава я сверявай. Разпознаването е по-слабо от възпроизвеждането.
- Реши стари изпитни варианти именно по този раздел, за да свикнеш с формулировките.
- Проверявай се с въпроса „от кой етап идва това вещество“ върху произволно избран продукт — това е най-честият тип задача.
Темата е благодарна: логиката е една и съща за двата процеса и щом веднъж се подреди, задачите по нея стават от най-бързите в целия изпит.
