Меню

Что происходит с энергией солнечного света при фотосинтезе



Фотосинтез

Типы питания

По типу питания живые организмы делятся на автотрофы, гетеротрофы и миксотрофы. Автотрофы (греч. αὐτός — сам + τροφ — пища) — организмы, которые самостоятельно способны синтезировать органические вещества из неорганических. Гетеротрофы (греч. ἕτερος — иной + τροφή — пища) — организмы, использующие для питания готовые органические вещества.

Наконец, миксотрофы (греч. μῖξις — смешение + τροφή — пища) — организмы, которые могут использовать как гетеротрофный, так и автотрофный способ питания. К примеру, эвглена зеленая на свету начинает фотосинтезировать, а в темноте питается гетеротрофно.

Фотосинтез

Фотосинтез (греч. φῶς — свет и σύνθεσις — синтез) — сложный химический процесс преобразования энергии квантов света в энергию химических связей. В результате фотосинтеза происходит синтез органических веществ из неорганических.

Этот процесс уникален и происходит только в растительных клетках, а также у некоторых бактерий. Фотосинтез осуществляется при участии хлорофилла (греч. χλωρός — зелёный и φύλλον — лист) — зеленого пигмента, окрашивающего органы растений в зеленый цвет. Существуют и другие вспомогательные пигменты, которые вместе с хлорофиллом выполняют светособирающую или светозащитную функции.

Ниже вы увидите сравнение строения хлорофилла и гемоглобина. Обратите внимание, что в центре молекулы хлорофилла находится ион Mg.

В высшей степени гениально значение процесса фотосинтеза подчеркнул русский ученый К.А. Тимирязев: «Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического»

Более подробно мы обсудим значение фотосинтеза в завершение этой статьи. Фотосинтез состоит из двух фаз: светозависимой (световой) и светонезависимой (темновой). Я рекомендую использовать названия светозависимая и светонезависимая, так как они способствуют более глубокому (и правильному!) пониманию фотосинтеза.

Светозависимая фаза (световая)

Эта фаза происходит только на свету на мембранах тилакоидов в хлоропластах. В ней принимают участие различные ферменты, белки-переносчики, молекулы АТФ-синтетазы и зеленый пигмент хлорофилл.

Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии. При воздействии кванта света хлорофилл теряет электрон, переходя в возбужденное состояние. С помощью переносчиков электроны скапливаются с наружной поверхности мембраны тилакоидов, тем временем внутри тилакоида происходит фотолиз воды (разложение под действием света):

Гидроксид-ионы отдают лишний электрон, превращаясь в реакционно способные радикалы OH, которые собираются вместе и образуют молекулу воды и свободный кислород (это побочный продукт, который в дальнейшем удаляется в ходе газообмена).

Образовавшиеся при фотолизе воды протоны (H + ) скапливаются с внутренней стороны мембраны тилакоидов, а электроны — с внешней. В результате по обе стороны мембраны накапливаются противоположные заряды.

При достижении критической разницы, часть протонов проталкивается на внешнюю сторону мембраны через канал АТФ-синтетазы. В результате этого выделяется энергия, которая может быть использована для фосфорилирования молекул АДФ:

Протоны, попав на поверхность мембраны тилакоидов, соединяются с электронами и образуют атомарный водород, который используется для восстановления молекулы-переносчика НАДФ (никотинамиддинуклеотидфосфат). Благодаря этому окисленная форма — НАФД + превращается в восстановленную — НАДФ∗H2.

Предлагаю создать квинтэссенцию из полученных нами знаний. Итак, в результате светозависимой фазы фотосинтеза образуются:

  • Свободный кислород O2 — в результате фотолиза воды
  • АТФ — универсальный источник энергии
  • НАДФ∗H2 — форма запасания атомов водорода

Кислород удаляется из клетки как побочный продукт фотосинтеза, он совершенно не нужен растению. АТФ и НАДФ∗H2 в дальнейшем оказываются более полезны: они транспортируются в строму хлоропласта и принимают участие в светонезависимой фазе фотосинтеза.

Светонезависимая (темновая) фаза

Светонезависимая фаза происходит в строме (матриксе) хлоропласта постоянно: и днем, и ночью — вне зависимости от освещения.

При участии АТФ и НАДФ∗H2 происходит восстановление CO2 до глюкозы C6H12O6. В светонезависимой фазе происходит цикл Кальвина, в ходе которого и образуется глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы требуется 6 молекул CO2, 12 НАДФ∗H2 и 18 АТФ.

Таким образом, в результате темновой (светонезависимой) фазы фотосинтеза образуется глюкоза, которая в дальнейшем может быть преобразована в крахмал, служащий для запасания питательных веществ у растений.

Значение фотосинтеза

Значение фотосинтеза невозможно переоценить. Уверенно утверждаю: именно благодаря этому процессу жизнь на Земле приобрела такие чудесные и изумительные формы, какие мы видим вокруг себя: удивительные растения, прекрасные цветы и самые разнообразные животные.

В разделе эволюции мы уже обсуждали, что изначально в составе атмосферы Земли не было кислорода: миллиарды лет назад его начали вырабатывать первые фотосинтезирующие бактерии — сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Постепенно кислород накапливался, и со временем на Земле стало возможно аэробное (кислородное) дыхание. Возник озоновый слой, защищающий все живое на нашей планете от губительного ультрафиолета.

Говоря о роли фотосинтеза, выделим следующие функции, объединяющиеся в так называемую космическую роль растений. Итак, растения за счет фотосинтеза:

  • Синтезируют органические вещества, являющиеся пищей для всего живого на планете
  • Преобразуют энергию света в энергию химических связей, создают органическую массу
  • Растения поддерживают определенный процент содержания O2 в атмосфере, очищают ее от избытка CO2
  • Способствуют образованию защитного озонового экрана, поглощающего губительное для жизни ультрафиолетовое излучение

Хемосинтез (греч. chemeia – химия + synthesis — синтез)

Хемосинтез — автотрофный тип питания, который характерен для некоторых микроорганизмов, способных создавать органические вещества из неорганических. Это осуществляется за счет энергии, получаемой при окислении других неорганических соединений (железо- , азото-, серосодержащих веществ).

Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским в 1888 году. Большинство хемосинтезирующих бактерий относится к аэробам, для жизни им необходим кислород.

При окислении неорганических веществ выделяется энергия, которую организмы запасают в виде энергии химических связей. Так нитрифицирующие бактерии последовательно окисляют аммиак до нитрита, а затем — нитрата. Нитраты могут быть усвоены растениями и служат удобрением.

Помимо нитрифицирующих бактерий, встречаются:

  • Серобактерии — окисляют H2S —> S 0 —> (S +4 O3) 2- —> (S +6 O4) 2-
  • Железобактерии — окисляют Fe +2 —>Fe +3
  • Водородные бактерии — окисляют H2 —> H +1 2O
  • Карбоксидобактерии — окисляют CO до CO2
Значение хемосинтеза

Хемосинтезирующие бактерии являются неотъемлемым звеном круговорота в природе таких элементов как: азот, сера, железо.

Нитрифицирующие бактерии обеспечивают переработку (нейтрализацию) ядовитого вещества — аммиака. Они также обогащают почву нитратами, которые очень важны для нормального роста и развития растений (это происходит за счет клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений).

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

ЭНЕРГЕТИКА ФОТОСИНТЕЗА

1.Энергетика фотосинтеза. Значение отдельных участков солнечного спектра для фотосинтеза

2.1 Фотофизический этап фотосинтеза

2.2 Фотохимический этап

2.3 Циклический и нециклический поток электронов. Фотосинтетическое фосфорилирование

1.Энергетика фотосинтеза. Значение отдельных участков солнечного спектра для фотосинтеза

Важнейшей особенностью процесса фотосинтеза является то, что он протекает с использованием энергии солнечного света.

Лучистая энергия — это энергия электромагнитных колебаний, которая характеризуется определенной длиной волны, частотой колебания и скоростью распространения. Эти величины связаны между собой следующим образом: , где λ — длина волны, с — скорость света, величина постоянная, равная 3-10 10 см/с, v — частота колебаний. Длина волны измеряется в нанометрах, а частота колебаний—в герцах (длина волны — расстояние между двумя после­довательными пиками одного цикла, частота колебаний — частота появления пиков). Собственно свет, или область электромагнитных колебаний, восприни­маемая человеческим глазом, лежит в пределах длины волн от 400 до 700 нм. Более короткие волны характерны для ультрафиолетовых лучей, а более длин­ные — для инфракрасных. Известно, что при пропускании луча света через призму он разлагается на отдельные участки, имеющие различную окраску (спектр). В пределах видимого света в зависимости от длины волны окраска лучей различна. Обладая волновыми характеристиками, свет проявляет и корпускуляр­ные свойства. Лучистая энергия излучается и распространяется в виде отдельных дискретных единиц — квантов или фотонов. Квант света обладает энергией, ко­торая прямо пропорциональна частоте колебаний и обратно пропорциональна длине волны , где h — постоянная Планка. Из этой формулы ясно видно, что величина энергии квантов для разных участков спектра будет раз­лична: чем короче длина волны, тем больше энергия кванта. Энергия квантов разных областей спектра может быть вычислена в электронвольтах или в ки­лоджоулях на моль. 1 моль квантов, или 1 Эйнштейн, соответствует числу кван­тов, равному 6,02310 23 (число Авогадро). Соответствующие расчеты приведены в таблице 1.

Согласно первому закону фотохимии, только поглощенные лучи могут быть ис­пользованы в химических реакциях. В том случае если реагирующие молекулы бесцветны и не поглощают свет, фотохимические реакции могут идти только в присутствии специальных веществ — фотосенсибилизаторов. Фотосенсиби­лизаторы — вещества, поглощающие энергию света и передающие ее на ту или иную бесцветную молекулу.

Таблица 1 Характеристика отдельных участков спектра

Цвет Длина волны, нм Энергия квантов, кДж/моль
Ультрафиолетовый 471,4
Фиолетовый 400-424 292,0
Синий 424-491 260,6
Зеленый 491-550 230,5
Желтый 550-585 206,6
Оранжевый 585-647 193,6
Красный 647-740 176,4
Инфракрасный 85,5

Положение о том, что в процессе фотосинтеза могут быть использованы толь­ко поглощенные лучи солнечного света, впервые получило экспериментальное подтверждение в опытах К.А. Тимирязева. До этого господствовало ошибочное представление, что наибольшее значение в процессе фотосинтеза имеют желтые лучи солнечного спектра, которые хлорофиллом не поглощаются. К.А. Тимиря­зев показал, что процесс усвоения СО2 на свету представляет собой фотохимиче­ский процесс и подчиняется законам фотохимии. В процессе фотосинтеза вместо связей, обладающих малым запасом энергии, таких, как О—Н, С—О, создаются связи С—С, благодаря этому свободная энергия системы повышается. Эта энер­гия представляет собой трансформированную солнечную энергию,

К.А. Тимирязевым был разработан точный метод учета процесса фотосинте­за, основанный на одновременном определении объема поглощенного углеки­слого газа и выделенного кислорода в замкнутом сосуде (эвдиометре). Высокая чувствительность данного метода позволила определить фотосинтез в отдель­ных участках спектра, в которых благодаря малой их интенсивности фотосинтез шел очень слабо. Опыты К.А. Тимирязева ясно показали, что процесс фотосин­теза проходит именно в тех лучах, которые поглощаются хлорофиллом. Хлоро­филл является оптическим сенсибилизатором, поглощающим энергию света.

Читайте также:  Как сделать свет для камеры

Определяя интенсивность процесса фотосинтеза в различных лучах солнечно­го спектра, К.А. Тимирязев показал, что наиболее интенсивное усвоение угле­кислого газа наблюдается в красных лучах. Затем по направлению к зеленой части спектра процесс фотосинтеза постепенно ослабевает. В зеленых лучах фотосин­тез минимальный. Это и понятно, так как именно зеленые лучи хлорофиллом почти не поглощаются. В сине-фиолетовой части спектра наблюдается второй подъем интенсивности фотосинтеза. Таким образом, если представить себе интенсивность фотосинтеза в виде кривой, то она будет иметь два максимума соответственно двум максимумам поглощения хлорофилла. Ряд пиков интен­сивности фотосинтеза соответственно отдельным линиям поглощения хлоро­филла не наблюдается, так как хлорофилл в хлоропластах находится в такой кон­центрации, при которой линии поглощения частично сливаются и образуются два основных максимума. Интенсивность процесса фотосинтеза в различных участках спектра получила название спектра действия. Можно сделать вывод, что спектр поглощения хлорофилла и спектр его действия в процессе фотосин­теза совпадают. Дальнейшие исследования внесли определенные уточнения как в отношении лучей, поглощаемых разными формами хлорофилла, так и в отно­шении их влияния на процесс фотосинтеза. Однако общие закономерности, ус­тановленные К.А. Тимирязевым, остались в силе.

Важное значение имеют исследования К.А. Тимирязева по эффективности использования энергии в красном и сине-фиолетовом участках спектра. Тими­рязев провел сравнение интенсивности и эффективности поглощения энергии к разных лучах солнечного спектра. Оказалось, что поглощенная энергия в крас­ном участке спектра используется более полно. Из этого наблюдения К.А. Ти­мирязев сделал вывод, что поглощенная энергия лучей разного качества, разной длины волны используется в фотохимических реакциях с разной эффектив­ностью. В процессе естественного отбора растения приспособились к поглоще­нию именно тех лучей, энергия которых используется в процессе фотосинтеза наиболее эффективно.

Мысли К.А. Тимирязева получили блестящее подтверждение после того, как А. Эйнштейном была сформулирована теория фотоэффекта. Из теории фото­эффекта следует, что интенсивность любой фотохимической реакции опреде­ляется не количеством поглощенной энергии, а числом поглощенных квантов. Между тем, как уже упоминалось, величина квантов в разных лучах солнечного спектра различна. В красных лучах кванты мельче и характеризуются меньшей энергией. По мере того как уменьшается длина волны, растет энергия квантов. В связи с этим на одно и тоже количество поглощенной энергии в красных лучах по сравнению с сине-фиолетовыми приходится большее число квантов и соот­ветственно большее количество прореагировавших молекул в фотохимических реакциях, в том числе и при фотосинтезе. Правда, могут быть кванты, несущие так мало энергии, что ее не хватает на то, чтобы вызвать химический эффект. Иначе говоря, для фотохимических реакций существует нижний предел энер­гии, т. е. верхний предел длины волны, после которого они неосуществимы. Так, (ротохимические реакции возможны в пределах величины квантов от 147 до 587 кДж/моль. Таким образом, в квантах красного света (176 кДж/моль h\) за­ключено достаточное количество энергии для осуществления фотохимической реакции. Вместе с тем при поглощении квантов синего света (261 кДж/моль кч) реагирующие молекулы будут получать избыток энергии, который выделяется и виде тепла или света.

Таблица 2 Использование энергии света лучей различной длины при фотосинтезе клетками водоросли хлореллы

Длина волны, нм Использование лучистой энергии, в относительных величинах (экспериментальные данные) Использование лучистой энергии, в относительных величинах, исходя из величины квантов (теоретические данные)
100,0 100,0
80,0 87,5
76,0 82,5
61,5 63,0

Следовательно, использование энергии зависит от качества света. Это было подтверждено исследованиями О. Варбурга. В этих исследованиях впервые была установлена величина фотосинтетической работы, производимой за счет 1 Дж поглощенной лучистой энергии. Эта величина возрастает по мере увеличения длины волны. Данные таблицы 6 показывают совпадение теоретических расчетов и экспериментально полученных величин.

Таким образом, количество молекул СО2 и Н2О, использованных в процессе фотосинтеза, пропорционально числу поглощенных квантов. Однако число квантов, необходимое для протекания различных фотохимических реакций, не­одинаково. Редкая фотохимическая реакция имеет квантовый расход, равный единице. Он может быть значительно больше единицы, так как не все возбуж­денные молекулы вступают в реакцию. Может быть и меньше единицы, если благодаря цепным взаимодействиям в реакцию вступают не только возбужден­ные молекулы.

Квантовый расход процесса фотосинтеза, т. е. количество квантов, необхо­димое для того, чтобы одна молекула СО2 восстановилась до углеводов, окончательно не установлен. Все же большинство исследований показывает, что для восстановления одной молекулы СО2 до углеводов нужно 8—9 квантов света. Противоположной величиной квантовому расходу является квантовый выход — это количество ассимилированного СО2 при поглощении одного кванта. Кван­товый выход составляет ‘/g или ‘/9 М. Анализ квантового расхода, наблюдаемого в различных участках солнечного спектра, позволил также доказать роль каротиноидов в процессе фотосинтеза. Исследования А.А. Рихтера, а затем Р. Эмерсона показали, что в той части спектра, где лежит максимум поглощения каротиноидов, т. е. между синими и зелеными лучами, на их долю приходится 70% от всего поглощения и лишь 30% энергии поглощается хлорофиллом. В этой части спек­тра расход квантов приближается к теоретически возможному, только если при­нять, что кванты света, поглощенные каротиноидами, передаются хлорофиллу и, таким образом, используются в процессе фотосинтеза. Правда, кванты света, поглощенные каротиноидами, используются менее эффективно по сравнению с квантами, поглощенными непосредственно хлорофиллом.

Фотосинтез — это сложный многоступенчатый окислительно-восстановитель­ный процесс, в котором происходит восстановление углекислого газа до уровня углеводов и окисление воды до кислорода. Фотосинтез включает как световые, так и темновые реакции. Был проведен ряд экспериментов, доказывающих, что и процессе фотосинтеза происходят не только реакции, идущие с использова­нием энергии света, но и темновые, не требующие непосредственного участия энергии света. Можно привести следующие доказательства существования темновых реакций в процессе фотосинтеза: 1) фотосинтез ускоряется с повыше­нием температуры. Отсюда прямо следует, что какие-то этапы этого процесса непосредственно не связаны с использованием энергии света. Особенно резко зависимость фотосинтеза от температуры проявляется при высоких интенсивностях света. По-видимому, в этом случае скорость фотосинтеза лимитируется именно темновыми реакциями; 2) эффективность использования энергии све­та в процессе фотосинтеза оказалась выше при прерывистом освещении. При этом для более эффективного использования энергии света длительность тем­новых промежутков должна значительно превышать длительность световых.

В 1932 г. Эмерсону удалось непосредственно измерить продолжительность све­товых и темновых реакций фотосинтеза. Оказалось, что скорость световой реакции составляет 10 -5 с и не зависит от температуры, тогда как скорость темновой зна­чительно меньше и в зависимости от температуры изменяется от 4х10 -1 до 4х10 -2 с.

Процесс фотосинтеза включает следующие этапы:
1) фотофизический; 2) фо­тохимический (световой); 3) ферментативный (темновой).

2.1 Фотофизический этап фотосинтеза

Согласно законам фотохимии, при поглощении кванта света атомом или мо­лекулой какого-либо вещества электрон переходит на другую, более удаленную орбиталь, т. е. на более высокий энергетический уровень (рисунок 1). Наибольшей энергией обладает электрон, отдаленный от ядра атома и находящийся на достаточно большом расстоянии от него. Вместе с тем, чем ближе к ядру, тем меньше энергия электрона. Каждый электрон переходит на более высокий энергетический уровень под влиянием одного кванта света, если энергия этого кванта ровна разнице между этими энергетическими уровнями.

Рисунок 1 — Изменения, вызываемые в атоме поглощением фотона:

— поглощение фотона, возбуждение атома при переходе электрона;

— возврат электрона выделение энергии в виде излучения.

Все фотосинтезирующие организмы содержат какой-либо тип хлорофилла. Исключением являются бактерии (Halobacterium halobium), содержащие бактериородопсин, с помощью которого они поглощают кванты света.

В молекуле хлорофилла два уровня возбуждения. Именно с этим связано и то, что он имеет две основные линии поглощения. Первый уровень возбуждения обусловлен переходом на более высокий энергетический уровень электрона в системе сопряженных двойных связей, а второй — с возбуждением неспаренных электронов атомов азота и кислорода в порфириновом ядре. При поглоще­нии света электроны переходят в колебательное движение. Наиболее подвиж­ными в молекуле являются делокализованные электроны, орбитали которых как бы размазаны, обобщены между двумя ядрами. Особенно легко возбуждаются электроны сопряженных двойных связей.

Электрон, кроме того, что он находится на определенной орбитали и вращается вокруг ядра, обладает еще спином (вектором магнитного момента) — характеристикой, которую можно трактовать как направление вращения электрона вокруг своей оси. Спин электрона может принимать два значения. Спины двух электро­нов, находящихся на одной орбитали, противоположны. Когда в молекуле все электроны расположены попарно, их суммарный спин равен нулю. Это основное синглетное состояние (S). В основном энергетическом состоянии S молекула находится
в тепловом равновесии со средой, все электроны попарно занимают орбитали с наименьшей энергией. При поглощении света электроны переходят на следую­щие орбитали с более высоким энергетическим уровнем. При этом имеются две возможности: если электрон не меняет спина, то это приводит к возникновению первого и второго синглетного состояния (S *1, S*2). Если же один из электронов меняет спин, то такое состояние называют триплетным (Т*1).

Наиболее высокий энергетический уровень — это второй синглетный уровень S*2. Электрон переходит на него под влиянием сине-фиолетовых лучей, кванты которых содержат больше энергии. В первое возбужденное S*l состояние электроны могут переходить, поглощая более мелкие кванты красного света..

Время жизни на S*2 уровне составляет 10 -12 с. Это время настолько мало, что на его протяжении энергия электронного возбуждения не может быть использо­вана. Через этот короткий промежуток времени электрон возвращается в первое синглетное состояние S*1 (без изменения направления спина). Переход из вто­рого синглетного состояния S*2 в первое S*1 сопровождается некоторой потерей энергии (100 кДж) в виде теплоты. Время жизни в первом синглетном состоянии немного больше (10 -9 или 10 -8 с). Наибольшим временем жизни (10 -4 —10 -2 с) обладает триплетное состояние Т*1. Переход на триплетный уровень происхо­дит с изменением спина электрона.

Из возбужденного, первого синглетного и триплетного состояния молекула хлорофилла также может переходить в основное. При этом ее дезактивация (по­теря энергии) может проходить: 1) путем выделения энергии в виде света (флуо­ресценция и фосфоресценция) или в виде тепла; 2) путем переноса энергии на другую молекулу пигмента; 3) путем затрачивания энергии на фотохимические процессы (потеря электрона и присоединение его к акцептору (рисунок 2). В лю­бом из указанных случаев молекула пигмента дезактивируется и переходит на основной энергетический уровень. Энергия, испускаемая в виде флуоресцен­ции или в виде теплоты, не может быть использована.

Читайте также:  Как спасти человечество от конца света

Рисунок 2 – Переходы между возбужденными состояниями хлорофилла после поглощения квантов синего и красного света

В настоящее время показано, что хлорофилл имеет две функции — поглоще­ние и передачу энергии. При этом основная часть молекул хлорофилла — более 90% всего хлорофилла хлоропластов входит в состав светособирающего комплек­са (ССК). Светособирающий комплекс выполняет роль антенны, которая эф­фективно поглощает свет и переносит энергию возбуждения к реакционному центру. Кроме большого числа (до нескольких сотен) молекул хлорофилла ССК содержит каротиноиды, а у некоторых водорослей и цианобактерий фикобилины. Каротиноиды и фикобилины увеличивают эффективность усвоения света за счет того, что они поглощают свет в тех областях спектра, в которых молеку­лы хлорофилла поглощают свет сравнительно слабо.

Такое устройство позволяет значительно полнее использовать энергию све­та. Подсчитано, что каждая молекула хлорофилла на прямом солнечном свету поглощает квант света не чаще чем 10 раз в секунду. Между тем скорость после­дующих реакций фотосинтеза значительно больше. Из сказанного следует, что при непосредственной связи каждой молекулы хлорофилла с последующей ре­акцией процесс фотосинтеза шел бы прерывисто. Необходимо учитывать также, что использование энергии света в химических реакциях требует большого ко­личества ферментов. Если бы каждая молекула хлорофилла отдавала энергию света непосредственно на фотохимические процессы, то в листе не хватило бы места для размещения всех необходимых для этого ферментных систем. В процес­се эволюции в растениях выработался механизм, позволяющий наиболее полно использовать кванты света, падающие на лист подобно каплям дождя. Механизм этот заключается в том, что энергия квантов света улавливается 200—400 моле­кулами хлорофилла и каротиноидами ССК и как бы стекается к реакционному центру.

Передача энергии между молекулами пигментов идет главным образом ре­зонансным путем, без разделения зарядов с большой скоростью. Так, время переноса энергии от одной молекулы хлорофилла к другой составляет 1х10 -12 —
2х10 -12 с, а от молекулы каротиноидов к хлорофиллу 4-10 -10 с. Таким образом, время переноса энергии значительно меньше времени жизни возбужденной молекулы (10 -8 с). Такой перенос может осуществляться только при близком расстоянии между молекулами пигментов. Расчеты показали, что в одном хло­ропласте до 1 млрд молекул хлорофилла. Расстояние между молекулами хлоро­филла в мембранах составляет всего 1 нм. Перенос энергии происходит только от пигментов, поглощающих свет с меньшей длиной волны, к пигментам, по­глощающим свет с большей длиной волны. Дело в том, что хотя передача энергии от одной молекулы пигмента к другой идет с большой эффективностью (от хло­рофилла b к хлорофиллу а — 90%, от каротиноидов к хлорофиллу—40%), однако все же это связано с некоторой ее потерей. Вместе с тем кванты света с меньшей длиной волны обладают большей энергией. Потеря энергии приводит к пре­вращению квантов в более мелкие (с большей длиной волны). Именно поэтому основные формы хлорофилла, к которым стекается энергия, являются более длинноволновыми. Обратный перенос энергии невозможен.

В том случае, если молекулы пигментов имеют одинаковый максимум поглощения возможен другой путь передачи энергии, получивший название экситонного. При этом пути электронное возбуждение распространяется в результате межмолекулярной вибрации на комплекс пигментов.

Строение ССК зависит не только от систематического положения фотосинтезирующего организма, но и от условий произрастания. Теневыносливые рас­тения имеют, как правило, больший размер ССК по сравнению с растениями, растущими в условиях высокой освещенности.

Таким образом, в первичных процессах фотосинтеза, связанных с поглоще­нием молекулой хлорофилла кванта света, важную роль играют процессы пере­дачи энергии. Фотофизический этап фотосинтеза и заключается в том, что кванты света поглощаются и переводят молекулы пигментов в возбужденное состояние. Затем эта энергия переносится на реакционный центр, осуществ­ляющий первичные фотохимические реакции: разделение зарядов.

Дальнейшее превращение энергии света в химическую энергию проходит ряд этапов, начиная с окислительно-восстановительных превращений хлорофилла и включая как фотохимические (световые), так и энзиматические (темновые) реакции.

2.2 Фотохимический этап

Происхождение кислорода при фотосинтезе

Большое значение для раскрытия вопроса о сущности фотохимических реак­ций имело изучение особенностей бактериального фотосинтеза. Впервые на способность бактерий, содержащих пигменты, использовать энергию света для фотосинтеза указал Т. Энгельман (1883). Дальнейшие исследования показали, что окрашенные бактерии содержат пигменты, относящиеся к группе хлорофиллов, а именно бактериохлорофиллы, и синтезируют органическое вещество из неорганических соединений при участии энергии света. Однако этот процесс не сопровождается выделением кислорода. Это связано с тем, что в качестве ис­точника протонов и электронов бактерии используют не воду, а сероводород или другие соединения. Такой тип ассимиляции СО2 получил название бактериаль­ного фотосинтеза.

Наиболее распространены содержащие пигменты серные бактерии. Как ус­тановил К.Б. ван Ниль, у этих бактерий ассимиляция СО2 сопровождается раз­ложением сероводорода с выделением серы:

,

где формула (СН2О) означает, что углерод восстановлен до углеводов.

Есть несерные окрашенные бактерии, которые в качестве источника прото­нов и электронов используют различные органические соединения. Процесс мо­жет идти по следующему типу:

Во всех разобранных случаях происходит восстановление СО2 за счет водо­рода какого-либо другого соединения. В общей форме это можно представить реакцией:

,

где H2A — вещество, которое является источником водорода, а (СН2О) — 1 /6 мо­лекулы сахара. К. Б. ван Ниль высказал предположение, что при фотосинтезе происходит сходный процесс, а именно разложение воды и присоединение во­дорода к СО2. При этом кислород выделяется. Иначе говоря, процесс фотосин­теза у зеленых растений идет по уравнению:

Использование воды в качестве источника водорода дало зеленым растени­ям в процессе эволюции огромное преимущество в силу повсеместного ее при­сутствия. Высказанное предположение получило экспериментальное под­тверждение в работах академика А.П. Виноградова (1941). Он провел анализ изотопного состава (соотношения 16 О, |7 О, |8 О) кислорода разного происхожде­ния. Оказалось, что кислород, выделенный из воды, воздуха и образующийся прифотосинтезе, имеет одинаковое соотношение изотопов, тогда как кислород СО2 содержит относительно больше тяжелых изотопов. На основании этих ис­следований было сделано два вывода: 1) в процессе фотосинтеза разлагается вода; 2) в процессе фотосинтеза выделяется кислород, который является основным источником кислорода воздуха.

Поскольку весь кислород фотосинтеза выделяется из воды, общее уравнение фотосинтеза принимает следующий вид:

Вода в правой части уравнения не подлежит сокращению, поскольку ее ки­слород имеет иной изотопный состав (из СО2). Рассмотрение этого уравнения показывает, что фотосинтез — это окислительно-восстановительный процесс, в котором вода окисляется до О2, а углекислый газ восстанавливается до углево­дов. Термины «окисление» и «восстановление» являются крайне важными для понимания фотосинтеза. В этой связи необходимо отметить, что окисление — это не только присоединение кислорода, но и отнятие протонов, и потеря элек­трона, тогда как восстановление — это отнятие кислорода и присоединение про­тонов или электронов.

В 1937 г. Р. Хилл показал, что изолированные хлоропласты на свету в при­сутствии какого-либо легко восстанавливающегося вещества (акцептора водо­рода) окисляют воду. При этом выделяется кислород. В качестве акцептора водорода в опытах Хилла был использован хинон. При этом выделение кисло­рода хлоропластами на свету протекает в отсутствие углекислого газа (реакция Хилла):

Дальнейшие исследования показали, что те же самые ингибиторы, которые тормозят реакцию Хилла, приостанавливают и выделение кислорода в процессе фотосинтеза. Это дало основание считать, что световая фаза фотосинтеза включает разложение воды. Эти опыты также позволили установить возмож­ность разделения двух процессов: 1) выделение кислорода;
2) восстановление СО2. Таким образом, в процессе фотосинтеза происходит разложение воды, на что затрачивается энергия света.

В 1950 г. было показано, что вместо искусственных акцепторов водорода, при­мененных Хиллом, можно использовать естественный кофермент никотинами-дадениндинуклеотидфосфат — НАДФ. Изолированные хлоропласты на свету восстанавливают НАДФ, одновременно выделяется кислород. Однако сущность происходящих на свету реакций была выяснена лишь в 1954—1958 гг. благодаря работам Д. Арнона.

2.3 Циклический и нециклический поток электронов. Фотосинтетическое фосфорилирование

Фотохимические реакции фотосинтеза — это реакции, в которых энергия света преобразуется в энергию химических связей, и в первую очередь в энергию фосфор­ных связей АТФ. Именно АТФ является энергетической валютой клетки, обеспе­чивающей течение всех процессов. Одновременно под действием света происходит разложение воды, образуется восстановленный НАДФ и выделяется кислород.

Энергия поглощенных квантов света стекается от сотен молекул пигментов ССК к фотохимическому реакционному центру, содержащему особую пару (ди­мер) молекул хлорофилла а, которые характеризуются поглощением в наиболее длинноволновой части солнечного спектра и выполняют роль ловушки энергии возбуждения, блуждающего по пигментам ССК. Наряду с димером хлорофилла в фотосинтетический комплекс входят молекулы первичного и вторичного ак­цепторов электрона. Молекула хлорофилла, отдавая электрон первичному акцеп­тору, окисляется. Электрон поступает в электронтранспортную цепь.

Совокупность светособирающего комплекса (ССК), фотохимического реак­ционного центра и связанных с ним молекул — переносчиков электрона со­ставляет фотосистему. По современным представлениям фотосистема является важнейшим структурно-функциональным звеном фотосинтетического аппарата.

В процессе фотосинтеза принимают участие две фотосистемы. Р. Эмерсон по­казал, что эффективность света с длиной волны 680—700 нм может быть значительно повышена добавлением света с более короткой длиной волны (650—660 нм). Ин­тенсивность фотосинтеза при освещении смешанным светом (с двумя длинами волн) оказалась выше суммы интенсивностей фотосинтеза, наблюдаемой при осве­щении светом каждой длины волны в отдельности. Это явление называют эффектом усиления или эффектом Эмерсона. Был сделан вывод, что необходимо одновремен­ное световое возбуждение пигментов, различающихся по спектру поглощения. Именно это и привело к понятию о существовании двух фотосистем. Интересно, что эффект усиления наблюдается при изучении фотосинтеза у высших растений и цианобактерий. У других бактерий этот эффект отсутствует и, соответственно, в процессе фотосинтеза участвует одна фотосистема.

Фотосистемы различаются по составу белков, пигментов и оптическим свой­ствам. Установлено, что фотосистема 1 включает светособирающий комплекс и фотохимический реакционный центр I, в состав которого входит димер хло­рофилла, поглощающий свет с длиной волны 700 нм (П700). Фотосистема II включает светособирающий комплекс и фотохимический реакционный центр II, в состав которого входит димер хлорофилла, поглощающий свет с длиной волны 680 нм (П680). Свет поглощается двумя фотосистемами раздельно и нормальное осуществление фотосинтеза требует их одновременного участия.

Перенос по цепи переносчиков включает ряд окислительно-восстановительных реакций. Важно заметить, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос либо протонов и электронов, либо только электронов. При этом молекула, отдающая протон или электрон, окисляется, а молекула, воспри­нимающая протон или электрон, восстанавливается. Различают два типа потока электронов — циклический и нециклический. При циклическом потоке электро­ны, переданные от молекулы хлорофилла первичному акцептору, возвращаются к ней обратно. При нециклическом потоке происходит фотоокисление воды и пе­редача электрона от воды к НАДФ. Выделяемая в ходе окислительно-восстанови­тельных реакций энергия частично используется на синтез АТФ. Процесс преоб­разования энергии света в энергию АТФ получил название фотосинтетического фосфорилирования (Д. Арнон), Соответственно двум типам потока электронов раз­личают циклическое и нециклическое фотофосфорилирование.

Читайте также:  Как должен выключатся свет

Общая схема нециклического фотофосфорилирования представлена на ри­сунке 3. При нециклическом потоке электронов принимают участие две фо­тосистемы. Как уже упоминалось, энергия квантов света стекается к молекуле пигмента П700, который входит в состав реакционного центра ФСI (фотосисте­ма I). Электрон в молекуле П700 переходит на более высокий энергетический уровень (S*1). В основном состоянии окислительно-восстановительный потен­циал П700 составляет +0,43 В. Следовательно, тенденция к потере электрона (окислению) выражена очень слабо. Однако при поглощении кванта света мо­лекула П700 переходит в возбужденное состояние и ее окислительно-восстанови­тельный потенциал изменяется до —0,80 В. Поэтому в возбужденном состоянии молекула П700 легко отдает электрон первичному акцептору (фотохимическая реакция). Энергия света изменяет распределение электронов в кольце молекулы хлорофилла П700 и делает один электрон доступным для переноса. При этом энер­гия квантов сначала переходит в энергию электронного возбуждения, а затем в энергию разделения зарядов. Так, отдавая электрон, молекула П700 окисляется и остается в виде положительно заряженной молекулы

где Хл* — возбужденная форма хлорофилла, (Хл) + — окисленная форма хлоро­филла. Электрон с первичного акцептора, которым является мономерная форма хло­рофилла а, передвигается через ряд переносчиков, расположенных в порядке возрастания О/В потенциала. Конечным акцептором электрона является НАДФ. Электроны спонтанно текут в сторону менее отрицательного окислительно-вос­становительного потенциала. Первичный акцептор, воспринимающий электрон от П700, передает электрон на железосерные белки.

Следующим переносчиком является железосодержащий белок ферредоксин (Е—0,43). Ферредоксин содержит два атома железа в негеминовой форме. От ферредоксина электрон переносится на НАДФ (Е-—0,32). Этот перенос осу­ществляется с помощью специфического белка-фермента (ферредоксин-НАДФ-редуктазы), коферментом которого является флавинадениндинуклеотид (ФАД).

Рисунок 3 — Схема нециклического транспорта электронов при фотосинтезе

Она ответственна за реакции, связанные с разложением воды и выделением кислорода. Цепь транспорта элект­ронов (ЭТЦ), соединяющая две фотосистемы, в качестве переносчиков электро­на включает в себя молекулы пластохинона (ПХ), отдельный электронтранспортный белковый комплекс (так называемый b/f- комплекс) и водорастворимый белок пластоцианин (ПЦ).

В состав реакционного центра фотосистемы II входит хлорофилл а, погло­щающий свет с длиной волны — λ68068О). Под влиянием поглощенного кванта света возбужденный электрон от П680 воспринимается первичным акцептором и передается дальше по цепи переносчиков. Образовавшаяся электронная «дыр­ка» в молекуле П680действует как сильный окислитель и через ряд переносчиков при участии ионов марганца и хлора отнимает электрон от воды. Этот электрон заполняет электронную «дырку» в молекуле П680. Происходит фотоокисление воды, и выделяется молекула кислорода:

Рассмотрим более подробно путь переноса электрона от фотосистемы II к фотосистеме I. Полученные П680 от воды электроны передаются на молекулу феофитина, который является первичным акцептором, затем на пластохиноны, переносящие как электроны, так и протоны. От пластохинона электроны поступают на b/f-комплекс и передаются через железосерный белок на цито­хром ƒ Цитохром ƒ относится к группе цитохромов с (К +0,360). Воспринимая электрон, цитохром восстанавливается: Fe 3+ + е → Fe 2+ . Следующий пере­носчик—пластоцианин. Отдавая электрон пластоцианину, цитохром окисляет­ся: Fe 2+ — е → Fe 3+ . Пластоцианин — это медьсодержащий белок, в котором на каждую молекулу белка приходится два атома меди (Е пластоцианина + 0,370): Сu 2+ + е → Сu + . Пластоцианин выполняет роль связующего звена между b/f-комплексом и ФСI. От пластоцианина электрон заполняет электронную «дырку» у П700.

Окисленный П680 + в реакционном центре фотосистемы II обладает исклю­чительно высоким сродством к электрону, т. е. является очень сильным окисли­телем. Благодаря этому в ФСII происходит разложение такого химически ус­тойчивого соединения как вода. Входящий в состав ФСII водорасщепляющий комплекс (ВРК) содержит в своем активном центре группу ионов марганца (Мп 2+ ), которые служат донорами электрона для П680 + . Отдавая электроны окис­ленному реакционному центру Пб80 + , ионы марганца накапливают положитель­ные заряды, которые непосредственно участвуют в реакции окисления воды:

После последовательной передачи четырех электронов от ВРК к П680 + про­исходит разложение сразу двух молекул воды, сопровождающееся выделением одной молекулы кислорода и четырех ионов водорода, которые попадают во внутритилакоидное пространство хлоропласта.

Перенос электрона по цепи переносчиков от фотосистемы II к фотосисте­ме I сопровождается образованием АТФ из АДФ и неорганического Фн (АДФ + Фн → АТФ). Суммарное уравнение процесса нециклического фотофос­форилирования может быть выражено следующим образом:

Таким образом, отличительными особенностями нециклического фотосин­тетического фосфорилирования являются: 1) окисление двух молекул воды; 2) участие двух фотосистем; 3) передача электронов от молекул воды (первичный донор) через электронтранспортную цепь на НАДФ <конечный акцептор). Про­дуктами процесса нециклического фотофосфорилирования являются восстанов­ленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН + Н + ) и АТФ. Эти соединения в дальнейшем используются в темновой фазе фотосинтеза.

Рисунок 4 – Схема циклического транспорта электронов при фотосинтезе

Общая схема циклического фотофосфорилирования дана на рисунке 4. В этом процессе принимает участие лишь фотосистема I. На схеме показано, что в ре­зультате поглощения кванта света молекула П700 отдает возбужденный электрон сначала первичному переносчику, а затем от ферредоксина возвращается к П700. На участке электронтранспортной цепи между цитохромом b и цитохромомƒ образуется АТФ. Таким образом, в этом случае П700 является и донором, и ак­цептором электрона. Суммарное уравнение циклического фотосинтетического фосфорилирования выглядит следующим образом:

При рассмотрении приведенных схем надо учитывать, что в зависимости от состояния хлоропластов расположение и набор переносчиков в электронтранс­портной цепи могут меняться.

Как же осуществляется связь между переносом возбужденного светом элек­трона по цепи переносчиков и образованием АТФ за счет выделяющейся при этом энергии? Наибольшее признание получила хемиосмотическая теория, раз­работанная английским биохимиком П. Митчеллом.

Переносчики электронов (электронтранспортная цепь) локализованы в мембра­нах асимметрично. При этом последовательно чередуются переносчики электронов (цитохромы) с переносчиками электрона и протона (пластохиноны) (рисунок 5).

При поглощении двух квантов света два электрона (поочередно) высвобож­даются из П680, пересекают мембрану и замещаются электронами из молекул воды. При этом протоны (из воды) выделяются во внутреннее пространство тилакоида, а атом кислорода диффундирует из хлоропласта. Электроны от П680 пе­редаются на акцептор, расположенный на наружной поверхности мембраны тилакоида. Этим акцептором является пластохинон (ПХ). Пластохинон — про­изводное хинона, в полностью окисленном состоянии содержит два атома ки­слорода, соединенных с углеродным кольцом двойными связями. В полностью восстановленном состоянии атомы кислорода в бензольном кольце соединяют­ся с протонами:

Молекула пластохинона сначала принимает два электрона: . ПХ -2 имеет высокое сродство к протонам, которые захватывает из стромы с образованием электрически нейтральной формы: . Пластохинон выполняет роль подвижного переносчика двух электронов и двух про­тонов и может легко перемещаться внутри тилакоидной мембраны, обеспечивая связь ФСII с другими электронтранспортными комплексами. ПХ х Н2 диффунди­рует внутри липидного бислоя тилакоидной мембраны к b/ƒ-комплексу и пере­дает ему два электрона. Протоны выделяются в пространство внутри тилакоида. Таким образом, при переносе пары электронов от Хл680 на Хл700 во внутреннем пространстве тилакоидов накапливаются протоны. В результате активного пе­реноса протонов из стромы во внутритилакоидное пространство на мембране создается электрохимический потенциал водорода (ΔµН + ), имеющий две состав­ляющие: химическую ΔрН (концентрационную), возникающую в результате неравномерного распределения ионов Н + по разным сторонам мембраны, и элек­трическую, обусловленную противоположным зарядом разных сторон мемб­раны (благодаря накоплению протонов с внутренней стороны мембраны).

Рисунок 5 – Схема образования мембранного потенциала и переноса протонов во внутритилакоидное пространство: Фд — ферредоксин; ПЦ — пластоцианин; ПХ — пластохинон; b559, f— цитохромы

Соответственно и энергия, накапливаемая на мембране в результате концент­рирования протонов на одной стороне, имеет две составляющие — химическую и электрическую. Чтобы использовать эту энергию, необходимо обеспечить об­ратный поток протонов. Энергия, выделяющаяся при этом, и используется для образования АТФ. Накопление протонов внутри тилакоида происходит не только при окислении пластохинона, но и в результате фотоокисления воды.

Сопряжение диффузии протонов через мембрану осуществляется макромолекулярным ферментным комплексом, называемым АТФ-синтазой или сопря­гающим фактором (рисунок 6). Этот комплекс по форме напоминает гриб и со­стоит из двух частей — факторов сопряжения: круглой шляпки F1, выступаю­щей с наружной стороны мембраны (в ней располагается каталитический центр фермента), и ножки F2, погруженной в мембрану. Мембранная часть состоит из полипептидных субъединиц (а, b, с) и формирует в мембране протонный канал, по которому ионы водорода попадают к фактору сопряжения F1. Белок Flпред­ставляет белковый комплекс, который состоит из девяти субъединиц пяти типов. Белковый комплекс F1 можно сравнительно легко отделить от мембраны, при этом он сохраняет способность катализировать гидролиз АТФ, т. е. является АТФазой.

Рисунок 6 – Структура АТФ-синтетазного комплекса

Однако изолированный F1 не способен синтезировать АТФ. Способность синтезировать АТФ — это свойство единого комплекса F-F1 встроенного в мембрану. Связано это с тем, что работа АТФ-синтазы при синте­зе АТФ сопряжена с переносом через нее протонов, путь которых направлен через F к F1. Направленный транспорт протонов возможен только в том случае, если АТФ-синтаза встроена в мембрану.

Существуют две гипотезы относительно механизма фосфорилирования (пря­мой механизм и косвенный) (рисунок 7). Согласно первой гипотезе фосфатная группа и АДФ связываются с ферментом в активном участке комплекса F1. Два протона перемещаются через канал по градиенту концентрации и соединяются с кислородом фосфата, образуя воду. Это делает фосфатную группу весьма реакционноспособной, и она присоединяется к АДФ с образованием АТФ. Согласно второй гипотезе, которая в последние годы получила экспериментальные под­тверждения (косвенный механизм), АДФ и Фн соединяются в активном центре фермента (субъединицы α и β фактора F1) спонтанно. Однако образовавшаяся АТФпрочно связана с ферментом, и для ее освобождения требуется энергия. Энергия доставляется протонами, которые, связываясь с ферментом (протонирование), изменяют его конформацию, после чего АТФ высвобождается.

Продукты световой фазы, в которых аккумулирована энергия света, — АТФ и НАДФН Д. Арнон назвал ассимиляционной силой, поскольку они использу­ются в темновую фазу, в ходе которой СО2 восстанавливается до углеводов.

Источник