химический каталог




ФОТОСИНТЕЗ

Автор Химическая энциклопедия г.р. Н.С.Зефиров

ФОТОСИНТЕЗ, образование зелеными растениями и нек-рыми бактериями органическое веществ с использованием энергии солнечного света. Происходит при участии пигментов (у растений хлорофиллов). В основе ФОТОСИНТЕЗ лежат окислит.-восстановит. реакции, в которых электроны переносятся от донора (например, H2O, H2S) к акцептору (CO2) с образованием восстановленных соединений (углеводов) и выделением O2 (если донор электронов H2O), S (если донор электронов, например, H2S) и др.

ФОТОСИНТЕЗ- один из самых распространенных процессов на Земле, обусловливает круговорот в природе углерода, O2 и др. элементов. Он составляет материальную и энергетич. основу всего живого на планете. Ежегодно в результате ФОТОСИНТЕЗ в виде органическое вещества связывается около 8•1010 т углерода, образуется до 1011 т целлюлозы. Благодаря ФОТОСИНТЕЗ растения суши образуют около 1,8•1011 т сухой биомассы в год; примерно такое же количество биомассы растений образуется ежегодно в Мировом океане. Тропич. лес вносит до 29% в общую продукцию ФОТОСИНТЕЗ суши, а вклад лесов всех типов составляет 68%. ФОТОСИНТЕЗ высших растений и водорослей - единственный источник атм. O2.

Возникновение на Земле около 2,8 млрд. лет назад механизма окисления воды с образованием O2 представляет собой важнейшее событие в биологическое эволюции, сделавшее свет Солнца главным источником-свободный энергии биосферы, а воду - практически неограниченным источником водорода для синтеза веществ в живых организмах. В результате образовалась атмосфера современной состава, O2 стал доступным для окисления пищи (см. Дыхание), а это обусловило возникновение высокоорганизов. гетеротрофных организмов (применяют в качестве источника углерода экзогенные органическое вещества).

Ок. 7% органическое продуктов ФОТОСИНТЕЗ человек использует в пищу, в качестве корма для животных, а также в виде топлива и строит. материала. Ископаемое топливо - тоже продукт ФОТОСИНТЕЗ Его потребление в кон. 20 в. примерно равно приросту биомассы.

Общее запасание энергии солнечного излучения в виде продуктов ФОТОСИНТЕЗ составляет около 1,6 • 1021 кДж в год, что примерно в 10 раз превышает современной энергетич. потребление человечества. Примерно половина энергии солнечного излучения приходится на видимую область спектра (длина волны l от 400 до 700 нм), которая используется для ФОТОСИНТЕЗ (физиологически активная радиация, или ФАР). ИК излучение не пригодно для ФОТОСИНТЕЗ кислородвыделяющих организмов (высших растений и водорослей), но используется нек-рыми фотосинтезирующи-ми бактериями.

В связи с тем, что углеводы составляют основные массу продуктов биосинтетич. деятельности растений, химический уравение ФОТОСИНТЕЗ обычно записывают в виде:


Для этой реакции 469,3 кДж/моль, понижение энтропии 30,3 Дж/(К•моль), -479 кДж/моль. Квантовый расход ФОТОСИНТЕЗ для одноклеточных водорослей в лабораторная условиях составляет 8-12 квантов на молекулу CO2. Утилизация при ФОТОСИНТЕЗ энергии солнечного излучения, достигающего земной поверхности, составляет не более 0,1% всей ФАР. Наиб. продуктивные растения (например, сахарный тростник) в среднем за год усваивают около 2% энергии падающего излучения, а зерновые культуры - до 1%. Обычно суммарная продуктивность ФОТОСИНТЕЗ ограничена содержанием CO2 в атмосфере (0,03-0,04% по объему), интенсивностью света и температурой. Зрелые листья шпината в атмосфере нормального состава при 25 0C на свету насыщающей интенсивности (при солнечном освещении) дают несколько литров O2 в час на грамм хлорофилла или на килограмм сухого веса. Для водорослей Chlorella pyrenoidosa при 35 0C повышение концентрации CO2 от 0,03 до 3% позволяет повысить выход O2 в 5 раз, такая активация является предельной.

Бактериальный ФОТОСИНТЕЗ и общее уравение ФОТОСИНТЕЗ Наряду с ФОТОСИНТЕЗ высших растений и водорослей, сопровождаемым выделением O2, в природе осуществляется бактериальный ФОТОСИНТЕЗ, в котором окисляемым субстратом является не вода, а др. соединения, обладающие более выраженными восстановит. свойствами, например H2S, SO2. Кислород при бактериальном ФОТОСИНТЕЗ не выделяется, например:


Фотосинтезирующие бактерии способны использовать не только видимое, но и ближнее ИК излучение (до 1000 нм) в соответствии со спектрами поглощения преобладающих в них пигментов - бактериохлорофиллов. Бактериальный ФОТОСИНТЕЗ не имеет существенного значения в глобальном запасании солнечной энергии, но важен для понимания общих механизмов ФОТОСИНТЕЗ Кроме того, локально бескислородный ФОТОСИНТЕЗ может вносить существенный вклад в суммарную продуктивность планктона. Так, в Черном море количество хлорофилла и бактериохлорофил-ла в столбе воды в ряде мест приблизительно одинаково.

Учитывая данные о ФОТОСИНТЕЗ высших растений, водорослей и фотосинтезирующих бактерий, обобщенное уравение ФОТОСИНТЕЗ можно записать в виде:


А - кислород в случае высших растений и водорослей, S либо др. элементы - в бактериальном ФОТОСИНТЕЗ

Мол. механизм ФОТОСИНТЕЗ и структура фотосинтетич. аппарата.

С использованием изотопных меток показано, что источником O2 в ФОТОСИНТЕЗ является только вода:


ФОТОСИНТЕЗ пространственно и во времени разделяется на два сравнительно обособленных процесса: световую стадию окисления воды и темновую стадию восстановления CO2 (рис. 1). Обе эти стадии осуществляются у высших растений и водорослей в специализир. органеллах клетки - хлоропластах. Исключение - синезеленые водоросли (цианобактерии), у которых нет аппарата ФОТОСИНТЕЗ, обособленного от цитоплазматических мембран.


Хлоропласт, представляющий собой замкнутую структуру, отделенную от остальной части клетки оболочкой, заключает в себе весь фотосинтетич. аппарат. Световая стадия реализуется в мембранных структурах хлоропласта (так называемой тилакои-дах), тогда как темновая стадия происходит в жидком содержимом хлоропласта (строме) при участии водорастворимых ферментов. У фотосинтезирующих бактерий хлоропласты отсутствуют, но световая стадия также осуществляется в мембранных образованиях - в так называемой хроматофорах.

Световая стадия. Миним. функциональная единица, еще способная осуществлять световую стадию ФОТОСИНТЕЗ,- тилакоид. Он представляет собой микроскопич. плоский диск, образованный белковолипидными мембранами, в которых находятся пигменты. В эти мембраны встроены все компоненты, необходимые для окисления воды, восстановления кофермента никотинамиддинуклеотидфосфата (НАДФ) до НАДФН и синтеза АТФ из аденозиндифосфата. Световая стадия инициируется поглощением кванта света пигментами, организованными в спец. светособирающие комплексы. Среди пигментов преобладает хлорофилл а. К вспомогат. пигментам относятся хлорофилл b, каротиноиды и др. Наличие светособирающей структуры из нескольких сотен или десятков молекул пигментов на каждый фотохимически активный (реакционный) центр на 2-3 порядка увеличивает сечение захвата излучения и обеспечивает возможность ФОТОСИНТЕЗ при слабом освещении.

Часть вспомогат. пигментов, спектрально наиболее близких к фотохимически активному хлорофиллу, непосредственно окружает каждый из реакционных центров, образуя так называемой антенны.

Высокая эффективность переноса возбуждения от молекулы, поглотившей квант, к фотохимический центру определяется спектр. свойствами и структурной организацией пигментов све тособирающего комплекса и антенны, окружающей фотохимический центральное Эти пигменты обеспечивают передачу возбуждения за время менее 100 пс в пределах времени жизни синглетно возбужденного состояния хлорофилла.

В реакционное центре ФОТОСИНТЕЗ, куда почти со 100%-ной вероятностью переносится возбуждение, происходит первичная реакция между фотохимически активной молекулой хлорофилла а (у бактерий - бактериохлорофилла) и первичным акцептором электрона (ПА). Дальнейшие реакции в тилакоидных мембранах происходят между молекулами в их основные состояниях и не требуют возбуждения светом. Эти реакции организованы в электронтранспортную цепь - последовательность фиксированных в мембране переносчиков электрона. В электронтранс-портной цепи высших растений и водорослей содержится два фотохимический центра (фотосистемы), действующих последовательно (рис. 2), в бактериальной электронтранспортной цепи - один (рис. 3).


В фотосистеме II высших растений и водорослей синглетно возбужденный хлорофилл а в центре Р680 (число 680 обозначает, что максимум спектральных изменений системы при возбуждении светом находится вблизи 680 нм) отдает электрон через промежуточный акцептор к феофитину (ФЕО, безмагниевый аналог хлорофилла), образуя катион-радикал . Анион-радикал восстановленного феофитина служит далее донором электрона для связанного пластохинона (ПХ*; отличается от убихинонов заместителями в хиноидном кольце), координированного с ионом Fe3+ (в бактериях имеется аналогичный Fе3+-убихинонный комплекс). Далее электрон переносится по цепи, включающей свободный пластохинон (ПХ), присутствующий в избытке по отношению к остальным компонентам цепи, затем цитохромы (Ц) b6 и f, образующие комплекс с железо-серным центром, через медьсодержащий белок пластоцианин (ПЦ; молекулярная масса 10400) к реакционному центру фотосистемы I.

Центры быстро восстанавливаются, принимая электрон через ряд промежуточные переносчиков от воды. Образование O2 требует последоват. четырехкратного возбуждения реакционного центра фотосистемы П и катализируется мембранным комплексом, содержащим Mn.

Хлорофилл a в фотосистеме I, имеющий максимум поглощения вблизи 700 нм (центр Р700), является первичным фотовозбуждаемым донором электрона, который он отдает первичному акцептору (ПА; его природа однозначно не установлена), а затем, через ряд промежуточные переносчиков (Ai) -растворимому белку ферредоксину (ФД), восстанавливающему с помощью фермента ферредоксин-НАДФ-редуктазы (ФНР) НАДФ до НАДФН. Катион-радикал окисленного пигмента восстанавливается пластоцианином.

В зрелых хлоропластах имеются граны (стопки тилакои-дов), в мембранах которых присутствуют все компоненты злекислотронтранспортной цепи, и так называемой агранальные тилакоиды, не содержащие фотосистемы II.

Благодаря асимметрич. расположению компонентов электронтранспортной цепи относительно плоскости мембраны при разделении зарядов между хлорофиллом в каждом из двух фотосинтетич. центров и акцептором электрона на тилако-идной мембране создается разность электрич. потенциалов (плюс - на внутренней, минус - на внешней ее стороне). Перенос электрона пластохиноном сопровождается транспортом протонов, которые захватываются снаружи тилакоида при восстановлении пластохинона и освобождаются внутрь тилакоида при окислении пластогидрохинона. Перенос электронов сопряжен с синтезом АТФ из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганическое фосфата. Предполагают, что обратный транспорт протонов из тилакоидов в строму через белковый сопрягающий фактор (Н+-АТФ-синтетазу) сопровождается образованием АТФ.


Фотосистема I может действовать автономно без контакта с системой II. В этом случае циклический перенос электрона (на схеме показан пунктиром) сопровождается синтезом АТФ, а не НАДФН. Образующиеся в световой стадии кофермент


НАДФН и АТФ используются в темновой стадии ФОТОСИНТЕЗ, в ходе которой снова образуется НАДФ и АДФ.

Электронтранспортные цепи фотосинтезирующих бактерий в основных своих чертах аналогичны отдельным фрагментам таковых в хлорогшастах высших растений. На рис. 3 показана электронтранспортная цепь пурпурных бактерий.

Темновая стадия Ф. Все фотосинтезирующие организмы, выделяющие O2, а также некоторые фотосинтезирующие бактерии сначала восстанавливают CO2 до фосфатов Сахаров в так называемой цикле Калвина. У фотосинтезирующих бактерий встречаются, по-видимому, и др. механизмы. Большинство ферментов цикла Калвина находится в растворимом состоянии в строме хлоропластов.

Упрощенная схема цикла показана на рис. 4. Первая стадия - карбоксилирование рибулозо-1,5-дифосфата и гидро лиз продукта с ооразованием двух молекул 3-фосфоглицериновой кислоты. Эта С3-кислота фосфорили-руется АТФ с образованием 3-фос-фоглицероилфосфата, который затем восстанавливается НАДФН до гли-церальдегид-3-фосфата. Полученный триозофосфат затем вступает в ряд реакций изомеризации, конденсации и перегруппировок, дающих 3 молекулы рибулозо-5-фосфата. Последний фосфорилируется при участии АТФ с образованием риоу-лозо-1,5-дифосфата и, т. обр., цикл замыкается. Одна из 6 образующихся молекул глицеральдегид-3-фос-фата превращается в глюко-зо-6-фосфат и используется затем для синтеза крахмала либо выделяется из хлоропласта в цитоплазму. Глицеральдегид-3-фосфат может также превращаться в 3-глицеро-фосфат и затем в липиды. Триозо фосфаты, поступающие из хлоропласта, превращаются в основные в сахарозу, которая переносится из листа в др. части растения.

В одном полном обороте цикла Калвина расходуется 9 молекул АТФ и 6 молекул НАДФН для образования одной молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты. Энергетич. эффективность цикла (отношение энергии фотонов, необходимых для фотосинтеза АТФ и НАДФН, к DG0 образования углевода из CO2) с учетом действующих в строме хлоропласта концентраций субстратов составляет 83%. В самом цикле Калвина нет фотохимический стадий, но световые стадии могут косвенно влиять на него (в том числе и на реакции, не требующие АТФ или НАДФН) через изменения концентраций ионов Mg2+ и H+, а также уровня восстановленности ферредоксина.

Некоторые высшие растения, приспособившиеся к высокой интенсивности света и к теплому климату (например, сахарный тростник, кукуруза), способны предварительно фиксировать CO2 в дополнительной С4-цикле. При этом CO2 сначала включается в обмен четырехуглеродных дикарбоновых кислот, которые затем декарбоксилируются там, где локализован цикл Калвина. С4-Цикл характерен для растений с особым анатомич. строением листа и разделением функций между двумя типами клеток: мезофильных, где сосредоточено карбоксилирование фосфоенолиировиноградной кислоты, и клеток обкладки сосудистого пучка, где функционирует цикл Калвина. Образующаяся в С4-цикле щавелевоуксусная кислота восстанавливается НАДФН до яблочной, которая перемещается в клетки сосудистой обкладки и здесь подвергается окислит, декарбоксили-рованию, образуя пировиноградную кислоту, CO2 и НАДФН. Два последних используются в цикле Калвина, а пировиноградная кислота возвращается в С4-цикл (рис. 5). Физиол. смысл С4-цикла состоит в запасании CO2 и повышении, т. обр., общей эффективности процесса.

Для кактусов, молочая и др. засухоустойчивых растений характерно частичное разделение фиксации CO2 и Ф. во времени (САМ-обмен, или обмен по типу толстянковых; САМ сокр. от англ. Crassulaceae acid metabolism). Днем устьица (каналы, через которые осуществляется газообмен с атмосферой) закрываются, чтобы уменьшить испарение воды. При этом поступление CO2 также затруднено. Ночью устьица открываются, происходит фиксация CO2 в виде фосфоенол-пировиноградной кислоты с образованием С4-кислот, которые днем декарбоксилируются, а освобождаемый при этом CO2 включается в цикл Калвина (рис. 6).

Ф. галобактерий. Единственный известный в природе не-хлорофилльный способ запасания энергии света осуществляют бактерии Halobacterium halobium. Ha ярком свету при пониженной концентрации O2 они образуют в своих мембранах пурпурный белок бактериородопсин. В результате индуцированной светом цис-транс-изомеризации ретиналя (хромофора этого пигмента) происходит поглощение H+ и синтез АТФ. Последний используется для частичного обеспечения энерге-тич. потребностей клетки.


Историческая справка. Ок. 1770 Дж. Пристли обнаружил, что растения выделяют O2. В 1779 Я. Ингенхауз установил, что для этого необходим свет и что O2 выделяют только зеленые части растений. Ж. Сенебье в 1782 показал, что для питания растений требуется CO2; в нач. 19 в. H. Соссюр, исходя из закона сохранения массы, подтвердил, что большая часть массы растений создается из CO2 и воды. В 1817 П. Пельтье и Ж. Каванту выделили зеленый пигмент хлорофилл. Позже К.А. Тимирязев показал близость спектра действия Ф. и спектра поглощения хлорофилла. Ю. Сакс в сер. 19 в., по-видимому, первым осознал, что этот продукт накапливается в хлоропластах, а Т.В. Энгельман доказал, что именно там же выделяется и O2.

В работах Ф. Блэкмана (1905), P. Эмерсона и У. Арнолда (1932), а также P. Хилла (1936-41) показано наличие световой и темновой стадий Ф. и экспериментально реализована световая стадия в отсутствие CO2 с использованием искусств. акцепторов электрона. Тем самым были получены подтверждения представлений об образовании O2 путем окисления воды. Окончательно это было доказано масс-спектрометрич. методом (С. Рубен, M. Камен, а также А.П. Виноградов и Р.В. Тейс, 1941).

В 1935-41 К. Ван Ниль обобщил данные по Ф. высших растений и бактерий и предложил общее уравение, охватывающее все типы Ф. X. Гаффрон и К. Воль, а также Л. Дёйсенс в 1936-52 на основе количественное измерений выхода продуктов Ф. поглощенного света и содержания хлорофилла сформулировали представление о "фотосинтетич. единице" - ансамбле молекул пигмента, осуществляющих светосбор и обслуживающих фотохимический центральное

В 40-50-х гг. M. Калвин, используя изотоп 14C, выявил механизм фиксации CO2. Д. Арнон (1954) открыл фотофос-форилирование (инициируемый светом синтез АТФ из АДФ и H3PO4) и сформулировал концепцию электронного транспорта в мембранах хлоропластов. P. Эмерсон и Ч.M. Льюис (1942-43) обнаружили резкое снижение эффективности фотосинтеза при 700 нм (красное падение, или первый эффект Эмерсона), а в 1957 Эмерсон наблюдал неаддитивное усиление Ф. при добавлении света низкой интенсивности с 650 нм к дальнему красному свету (эффект усиления, или второй эффект Эмерсона). На этом основании в 60-х гг. сформулировано представление о последовательно действую щих фотосистемах в электронтранспортной цепи Ф. с максимумами в спектрах действия вблизи 680 и 700 HM.

Осн. закономерности образования O2 при окислении воды в Ф. установлены в работах Б. Кока и П. Жолио (1969-70). Близится к завершению выяснение мол. организации мембранного комплекса, катализирующего этот процесс. В 80-х гг. методом рентгеновского структурного анализа детально изучена структура отдельных компонентов фотосинтетич. аппарата, включая реакционные центры и светособирающие комплексы (И. Дайзенхофер, X. Михель, P. Хубер).

Литература: Клейтон Р., Фотосинтеч. Физические механизмы и химические модели, пер. с англ., M., 1984; "Ж. Всес. химический об-ва им. Д.И. Менделеева", 1986, т. 31, № 6; Фотосинтез, под ред. Говинджи, пер. с англ., т. 1-2, M., 1987; Итоги науки и техники, сер. Биофизика, т. 20-22, M., 1987. М.Г. Голъдфелъд.

Химическая энциклопедия. Том 5 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
купит матиолы поштучно
Рекомендуем фирму Ренесанс - чердачный люк с лестницей купить- быстро, качественно, недорого!
кресло ch хром
Компьютерная техника в КНС Нева - карта памяти Transcend - онлайн кредит во всех городах России.

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(10.12.2016)