новости бизнеса
компании и предприятия
нефтехимические компании
продукция / логистика
тендеры / аналитика
торговый центр
ChemIndex
новости науки
работа для химиков
химические выставки
лабораторное оборудование
химические реактивы

расширенный поиск
каталог ресурсов
электронный справочник
авторефераты / книги
форум химиков
подписка / опросы
проекты / о нас

реклама на сайте
контакты
Магазин химических реактивов
поиск
   

главная > справочник > химическая энциклопедия:

Фотосинтез


выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Фотосинтез, образование зелеными растениями и некоторыми бактериями органических веществ с использованием энергии солнечного света. Происходит при участии пигментов (у растений хлорофиллов). В основе фотосинтеза лежат окислительно-восстановительные 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 других элементов. Он составляет материальную и энергетическую основу всего живого на планете. Ежегодно в результате фотосинтеза в виде органических вещества связывается около 8·1010 т углерода, образуется до 1011 т целлюлозы. Благодаря фотосинтезу растения суши образуют около 1,8·1011 т сухой биомассы в год; примерно такое же количество биомассы растений образуется ежегодно в Мировом океане. Тропический лес вносит до 29% в общую продукцию фотосинтеза суши, а вклад лесов всех типов составляет 68%. Фотосинтез высших растений и водорослей - единственный источник атмосферного O2.

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

Около 7% органических продуктов фотосинтеза человек использует в пищу, в качестве корма для животных, а также в виде топлива и строительного материала. Ископаемое топливо - тоже продукт фотосинтеза. Его потребление в конце 20 в. примерно равно приросту биомассы.

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

В связи с тем, что углеводы составляют основную массу продуктов биосинтетической деятельности растений, химическое уравнение фотосинтеза обычно записывают в виде:


Для этой реакции 469,3 кДж/моль, понижение энтропии 30,3 Дж/(К·моль), -479 кДж/моль. Квантовый расход фотосинтеза для одноклеточных водорослей в лабораторных условиях составляет 8-12 квантов на молекулу CO2. Утилизация при фотосинтезе энергии солнечного излучения, достигающего земной поверхности, составляет не более 0,1% всей ФАР. Наиболее продуктивные растения (например, сахарный тростник) в среднем за год усваивают около 2% энергии падающего излучения, а зерновые культуры - до 1%. Обычно суммарная продуктивность фотосинтеза 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°C повышение концентрации CO2 от 0,03 до 3% позволяет повысить выход O2 в 5 раз, такая активация является предельной.

Бактериальный фотосинтез и общее уравнение фотосинтеза

Наряду с фотосинтезом высших растений и водорослей, сопровождаемым выделением O2, в природе осуществляется бактериальный фотосинтез, в котором окисляемым субстратом является не вода, а другие соединения, обладающие более выраженными восстановительными свойствами, например H2S, SO2. Кислород при бактериальном фотосинтезе 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 фотосинтеза Кроме того, локально бескислородный фотосинтез может вносить существенный вклад в суммарную продуктивность планктона. Так, в Черном море количество хлорофилла и бактериохлорофилла в столбе воды в ряде мест приблизительно одинаково.

Учитывая данные о фотосинтезе высших растений, водорослей и фотосинтезирующих бактерий, обобщенное уравнение фотосинтеза можно записать в виде:


А - кислород в случае высших растений и водорослей, S либо другие элементы - в бактериальном фотосинтезе.

Молекулярны механизм фотосинтеза и структура фотосинтетического аппарата.

С использованием изотопных меток показано, что источником O2 в фотосинтезе 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 специализированных органеллах клетки - хлоропластах. Исключение - синезеленые водоросли (цианобактерии), у которых нет аппарата фотосинтеза, обособленного от цитоплазматических мембран.

Схема световой и темновой стадий фотосинтеза

Хлоропласт, представляющий собой замкнутую структуру, отделенную от остальной части клетки оболочкой, заключает в себе весь фотосинтетический аппарат. Световая стадия реализуется в мембранных структурах хлоропласта (так называемых тилакоидах), 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 называемых хроматофорах.

Световая стадия фотосинтеза

Минимальная функциональная единица, еще способная осуществлять световую стадию фотосинтеза,- тилакоид. Он представляет собой микроскопический 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 фотосинтеза инициируется поглощением кванта света пигментами, организованными в специальные светособирающие комплексы. Среди пигментов преобладает хлорофилл а. К вспомогательным 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 фотосинтеза при слабом освещении.

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

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

В реакционном центре фотосинтеза, 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 основных состояниях и не требуют возбуждения светом. Эти реакции организованы в электронтранспортную цепь - последовательность фиксированных в мембране переносчиков электрона. В электронтранспортной цепи высших растений и водорослей содержится два фотохимических центра (фотосистемы), действующих последовательно (рис. 2), в бактериальной электронтранспортной цепи - один (рис. 3).

Рис. 2. Схема электронтранспортной цепи фотосинтеза растений и синезеленых водорослей

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; мол. м. 10400) к реакционному центру фотосистемы I.

Центры быстро восстанавливаются, принимая электрон через ряд промежуточных переносчиков от воды. Образование O2 требует последовательного 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 промежуточных 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 тилакоидов), в мембранах которых присутствуют все компоненты злектронтранспортной цепи, и так называемые агранальные тилакоиды, не содержащие фотосистемы II.

Благодаря асимметрическому расположению компонентов электронтранспортной цепи относительно плоскости мембраны при разделении зарядов между хлорофиллом в каждом из двух фотосинтетических центров и акцептором электрона на тилакоидной мембране создается разность электрических 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 неорганического 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 коферменты 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 хлорогпастах высших растений. На рис. 3 показана электронтранспортная цепь пурпурных бактерий.

Рис. 3. Схема электронтранспортной цепи пурпурных бактерий

Темновая стадия фотосинтеза

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

Рис. 4. Упрощенная схема цикла Калвина

Упрощенная схема цикла показана на рис. 4. Первая стадия - карбоксилирование рибулозо-1,5-дифосфата и гидролиз продукта с ооразованием двух молекул 3-фосфоглицериновой кислоты. Эта С3-кислота фосфорилируется АТФ с образованием 3-фосфоглицероилфосфата, который затем восстанавливается НАДФН до глицеральдегид-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 рибулозо-1,5-дифосфата и, таким образом, цикл замыкается. Одна из 6 образующихся молекул глицеральдегид-3-фосфата превращается в глюкозо-6-фосфат и используется затем для синтеза крахмала либо выделяется из хлоропласта в цитоплазму. Глицеральдегид-3-фосфат может также превращаться в 3-глицерофосфат и затем в липиды. Триозофосфаты, поступающие из хлоропласта, превращаются в основном в сахарозу, которая переносится из листа в другие части растения.

В одном полном обороте цикла Калвина расходуется 9 молекул АТФ и 6 молекул НАДФН для образования одной молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты. Энергетическая эффективность цикла (отношение энергии фотонов, необходимых для фотосинтеза АТФ и НАДФН, к ΔG0 образования углевода из CO2) с учетом действующих в строме хлоропласта концентраций субстратов составляет 83%. В самом цикле Калвина нет фотохимических 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 дополнительном 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 анатомическим строением листа и разделением функций между двумя типами клеток: мезофильных, где сосредоточено карбоксилирование фосфоенолпировиноградной 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 окислительному декарбоксилированию, образуя пировиноградную кислоту, CO2 и НАДФН. Два последних используются в цикле Калвина, а пировиноградная кислота возвращается в С4-цикл (рис. 5). Физиологический смысл С4-цикла состоит в запасании CO2 и повышении, таким образом, общей эффективности процесса.

Рис. 5. С4-цикл фиксации CO2

Для кактусов, молочая и других засухоустойчивых растений характерно частичное разделение фиксации CO2 и фотосинтеза во времени (CAM-обмен, или обмен по типу толстянковых; CAM 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).

Рис. 6. CAM-тип углеродного обмена

Фотосинтез галобактерий

Единственный известный в природе нехлорофилльный 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 энергетических потребностей клетки.

Фотосинтез: 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 начале 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 фотосинтеза и спектра поглощения хлорофилла. Ю.Сакс в середине 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 фотосинтеза и экспериментально реализована световая стадия в отсутствие CO2 с использованием искусственных акцепторов электрона. Тем самым были получены подтверждения представлений об образовании O2 путем окисления воды. Окончательно это было доказано масс-спектрометрическим методом (С.Рубен, M.Камен, а также А.П.Виноградов и Р.В.Тейс, 1941).

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

В 40-50-х гг. M.Калвин, используя изотоп 14C, выявил механизм фиксации CO2. Д.Арнон (1954) открыл фотофосфорилирование (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 фотосинтеза 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 действующих фотосистемах в электронтранспортной цепи фотосинтеза с максимумами в спектрах действия вблизи 680 и 700 нм.

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

Лит.: Клейтон Р., Фотосинтез. Физические механизмы и химические модели, пер. с англ., M., 1984; "Ж. Всес. хим. 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.Гольдфельд.




выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


Все новости



Новости компаний

Все новости


© ChemPort.Ru, MMII-MMXVII
Контактная информация