Что такое фотосинтез
Свет представляет собой один из мощных факторов воздействия на химические процессы. Достаточно вспомнить, что жизнь животных на Земле поддерживается благодаря растениям, а растения осуществляют синтез органических веществ, используя энергию излучения Солнца. Основным в фотохимии следует считать закон, утверждающий, что химическое действие производится только Теми электромагнитными колебаниями, которые поглощаются данным веществом. Однако нельзя утверждать, что для химического воздействия достаточно просто подвести к реагирующему веществу необходимое количество энергии в форме излучения. Одно и то же количество энергии будет действовать на молекулы по-разному в зависимости от длины волны (т. е. от частоты колебаний). Так, например, светочувствительный слой на фотобумаге очень быстро изменяется, когда на него надают синие лучи, и остается неизменным при освещении относительно более длинноволновым красным светом, независимо от того, каково общее количество энергии, упавшей на поверхность бумаги.
Причина этого явления заключается в том, что поглощение света носит квантовый характер. Это связано с переходом молекулы на более высокий энергетический уровень, причем энергия, необходимая для перехода с уровня Е2 на уровень Е1, должна равняться частоте поглощаемого излучения, умноженного па константу Планка:
Е2 — Е1 = hv
Следовательно, если кванты падающего света малы, т. е. длина волны велика, то такие кванты независимо от их числа не смогут вызвать химического превращения, которое связано с переходом молекулы на высокий энергетический уровень.
При поглощении света электроны, входящие в состав атомов или молекул, переходят на другие энергетические уровни. При этом молекула может распадаться на составные части с образованием свободных радикалов или атомов; может измениться и колебательная энергия молекулы, в результате чего молекула перейдет на другие уровни. В некоторых случаях поглощенная энергия через некоторый обычно короткий промежуток времени испускается молекулой обратно — это явление флуоресценции.
Если, испуская поглощенную энергию, молекула не возвращается точно на тот же уровень, на каком она была в момент поглощения, а сохраняет некоторый избыток времени, то наблюдается явление люминесценции. При этом излучается квант, меньший по величине, чем тот, который был поглощен. Это значит, что длина волны, излучаемой молекулой при люминесценции, будет больше, чем длина волны, которая была поглощена. Остаток энергии, сохранившийся в молекуле или в совокупности молекул (в кристалле), иногда выделяется в виде теплоты, а иногда освобождается также в виде света, например при повышении температуры (высвечивание световой суммы).
Большой интерес представляют те фотохимические реакции, в которых химическое превращение вызывается не непосредственно светом, а атомами или молекулами другого вещества — сенсибилизатора, которое само по себе не участвует в реакции, но способно поглощать свет и переходить при этом в активное возбужденное состояние. Так, например, е помощью света можно привести в возбужденное состояние атомы ртути, которые поглощают значительное количество энергии. Поглощая излучение с длиной волны 253,7,5 нм, атомы ртути получают энергию 472,92 кдж в расчете на 1 г-атом, а поглощение волны с длиной 184,9,6 нм соответствует энергии 648,9 кдж на 1 г-атом. Такие возбужденные атомы ртути вступают во взаимодействие с молекулами водорода, в результате получаются атомы водорода, которые легко вступают в различные реакции, в частности быстро присоединяются к этилену. Для диссоциации молекулы водорода требуется 432 кдж/моль, в то время как атом ртути, поглотивший линию 253,7,7 нм, несет в себе избыточную энергию 473,00 кдж. Аналогичную роль играет и хлорофилл в зеленых частях растений, поглощающий световую энергию и направляющий ее по пути химических реакций, связанных с синтезом углеводов.
Хлорофилл и фотосинтез
Грандиозный поток световой энергии, падавший на поверхность Земли в отдельные геологические периоды, по-видимому, не использовался примитивными формами живых существ. Положение, однако, постепенно изменялось, и некоторые из организмов приобрели особый аппарат, позволивший им направить этот практически неиссякаемый поток энергии в русло хемосинтеза, заставить свет приводить в движение биохимические машины.
Существенной частью аппарата для использования энергии света и является хлорофилл. Хлорофилл представляет собой комплексное порфириновое соединение магния, по общему типу молекулярной структуры очень похожее на гем.
В молекуле хлорофилла к порфириновому циклу присоединен высокомолекулярный спирт — фитол. Известно несколько видов разновидностей хлорофилла, но основной порфириновый каркас сохраняется во всех его видах.
Структурные формулы хлорофиллов указаны на рисунке(а, b). Эти соединения встречаются у высших растений. Из бурых и красных водорослей и бактерий выделены и другие разновидности хлорофилла. Важную роль в процессе фотосинтеза играет пигмент, поглощающий свет с длиной воли 700 им и, по-видимому, также представляющий собой одну из форм хлорофилла, его обозначают Р700.
Работа фотосинтетического аппарата позволяет клеткам, которые им вооружились, строить
органические соединения из оксида углерода (IV) и воды. Сложность задачи в том, чтобы из небольших и относительно просто построенных молекул создать сложные но архитектуре структуры и обогатить эти структуры энергией.
Энергия солнечного света при участии хлорофилла запасается в продуктах фотосинтеза именно в углеводах:
6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2
Кислород воды освобождается, а водород идет па образование гексозы, которая в дальнейшем превращается в крахмал. В процессах фотосинтеза, протекающих в клетках бактерий, источником водорода служит не вода, а другие вещества, например сероводород; кислород в этом случае не выделяется, но хлорофилл является обязательным участником процесса.
Фотосинтез в той его форме, которая приобрела особенно большое значение па Земле, совершается в зеленых частях наземных растений и в водорослях. Трудно представить колоссальные масштабы деятельности зеленых водорослей, плавающих в морях и океанах. За один год они выделяют в атмосферу Земли 3,6•1011 кислорода. Это составляет около 90% всего кислорода, поступающего в атмосферу из океана и с поверхности листьев наземных растений. Следовательно, водоросли являются основным поставщиком кислорода. Именно они создают ту часть атмосферы, которая необходима для нашего существования. Наша жизнь неразрывно связана с дыханием океана и непрерывной деятельностью микроскопических носителей хлорофилла. К.А. Тимирязев указал, что фотосинтез — это процесс, от которого зависит все проявление жизни на нашей планете.
Развитие фотосинтетических аппаратов знаменовало собой начало совершенно нового периода в эволюции форм жизни на Земле. Появились новые виды живых существ, резко изменились условия питания, состав атмосферы — началось обогащение ее кислородом. Синтез органических веществ в растениях и водорослях обеспечил пищей гетеротрофные организмы; из остатков растений под влиянием химических и биологических факторов начали образовываться массы ископаемых углей. Накопления таких отложений, как нефть, известняки и сланцы, — это тоже результат фотосинтетической деятельности.
Трудно, даже, пожалуй, невозможно найти другой биохимический аппарат, который мог бы с таким совершенством использовать энергию излучения для химических целей, как хлорофилловая система. Хлорофилл действительно является звеном между энергией Солнца и жизнью на Земле.
Лишь очень небольшая часть энергии, падающей на лист, используется им при фотосинтезе, эта часть не превышает 1 %. И тем не менее общая продукция фотосинтеза на Земле колоссально велика. Биохимики называют фотосинтез самым крупным из химических процессов на Земле.
Для осуществления фотосинтеза недостаточно одного хлорофилла. Раствор хлорофилла, взятый в чистом виде, не может выполнить ту химическую работу, которую выполняет зеленый лист растения. Мало того, достаточно слегка разрушить ткани листа, как он сразу же потеряет способность к фотосинтезу. Значит, для фотосинтеза нужен не только хлорофилл, но и особые биологические структуры, содержащие белок и ряд ферментов в соответствующем пространственном расположении. Только до тех пор, пока все части этой сложной системы работают согласованно, идет процесс образования органических веществ, запасающих энергию света. В связи с этим познание фотосинтеза оказалось не только химической, но и физической проблемой и потребовало решения многих вопросов, в частности вопроса о передаче энергии возбуждения.
Схематически процесс фотосинтеза можно представить следующим образом: энергия света (кванты света) поглощается молекулой хлорофилла. В результате электроны хлорофилла переходят на возбужденные уровни: один из них соответствует уровню нес паренных электронов, находящихся в атомах кислорода и азота порфириновой системы, а другой — возбужденному состоянию электронов, образующих систему сопряженных двойных связей порфиринового цикла.
Если бы хлорофилл не был включен в сложный фотосинтетический аппарат, следующее событие заключалось бы в том, что электроны, «поднятые» светом на высокие энергетические уровни, просто вернулись бы на прежние места, а поглощенная энергия рассеялась бы, т. е. молекулы хлорофилла испустили бы кванты света, не совершив химической работы. Фактически же при возвращении в прежнее состояние молекулы свободного хлорофилла флуоресцируют, теряя в виде излучения около 35% своей энергии; остальная энергия рассеивается в виде теплоты. Однако, когда хлорофилл действует в исправном фотосинтетическом механизме, потеря энергии па флуоресценцию не превышает 10% (обычно 3%) и большая часть энергии идет на химическую работу. Еще около 25% энергии электронного возбуждения хлорофилла теряется в форме теплоты, так как большие молекулы органических веществ, окружающие молекулы хлорофилла, способны поглощать энергию, расходуя ее на усиление своих тепловых колебательных движений.
Рис. 2. Схема фотосинтеза.
Энергия возбужден пых электронов хлорофилла передается по длинной цепи веществ. Возбужденные электроны «покидают» хлорофилл, совершают путешествие по другим молекулам и по дороге расходуют свою энергию на создание ЛТФ неизменного аккумулятора энергии. Закончив это путешествие и утратив избыток энергии, электроны возвращаются к молекулам хлорофилла, и вся система приходит в исходное состояние. Два возникших таким путем электрона попадают к цитохромам, затем к хлорофиллу, причем на пути к нему они отдают энергию, нужную для образования двух молекул АТФ (рис. 2).
Механизм фотосинтеза необычайно сложен и с химической и с физической стороны и в настоящее время изученными можно считать только некоторые его важнейшие стадии. Для образования углеводов необходимо не только связать СО2, но и получить из воды водород в химически активной форме. Вот эта задача и решается с помощью циклических (круговых) процессов, в которых участвует несколько разновидностей хлорофилла. Аппарат для переноса электронов от воды на кофермент НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) состоит из двух частей (система I и система II). Рассмотрим всю последовательность процессов переноса электрона от молекулы воды к НАДФ.
Свет поглощается в системе I группами («единицами») из 200 молекул хлорофилла «а» и приблизительно 50 молекулами каратиноидов. В группе имеется одна молекула «Р700», которая, взаимодействуя с возбужденными частицами хлорофилла, теряет электрон. Молекула Р700 отводит электроны от улавливающей свет группы частиц.
Другая аналогичная пигментная структура входит в состав системы II и содержит 200 молекул хлорофилла «а» и 200 — хлорофилла «b» (иногда и другие разновидности хлорофилла). По-видимому, в ней также находится какой-то центр отведения электронов. Электрон, появившийся в результате возбуждения пигмента Р700 в системе I попадает к акцептору, обозначаемому z (белковое вещество, содержащее марганец), и оттуда через переносчик X (типа флавина) и ферродоксин (белок, содержащий негеминовое железо) переходит к НАДФ; НАДФ получает водородный ион из молекулы воды, подвергшейся расщеплению на кислород, электрон и ион водорода в пигментной системе I. В результате НАДФ восстанавливается (присоединяет водород) и образует активное соединение НАДФ•Н2. В процессе участвует фермент (фсрродоксии-ПАДФ-редуктаза). Поток электронов от Р700 поддерживается системой I. Возбужденный светом электрон от кислорода воды попадает к акцептору «Q» (белок, содержащий железо) и затем по цепи переносчиков (пластохинон, цитохром «b», цитохром «f», пластоцианин) добирается до системы II и присоединяется к Р700.
На схеме рисунка 2 этот путь сокращенно обозначен буквой Ц и стрелкой, указывающей на образование АТФ. Энергия расходуется на образование АТФ из фосфатов и АДФ. Кроме того, электроны, движущиеся к НАДФ, по-видимому на уровне ферродоксина, через циохром «b6» частично возвращаются на линию Q — Р700 и также принимают участие в фосфорилировании, т. е. образовании АТФ. Следовательно, АТФ образуется в результате как циклического, так и нециклического фосфорилирования.
Химическое строение многих переносчиков известно лишь приблизительно или вовсе неизвестно. Так, пластоцианин представляет собой белок, содержащий медь, причем ион меди способен к обратному окислению и восстановлению и благодаря этому действует (подобно иону железа в цитохроме) как переносчик
электронов. Пластохинон тоже обратимо окисляется и восстанавливается как и вообще все хиноны, в которых группа СО легко переходит в С — ОН, например:
Состав пластохинона известен:
и функцию переноса электрона выполняют карбонильные группы в ароматическом ядре.
Конечным продуктом, важным с химической точки зрения, является НАДФ•Н2, способный активно вступать в реакции передачи водорода. Именно эту роль он выполняет в дальнейших реакциях, ведущих к синтезу углеводов, т. е. в чисто химических стадиях фотосинтеза. Важнейшие из них (в цикле Кальвино) следующие:
1. Оксид углерода (IV) реагирует с фосфорным эфиром пентозы (рибулозы) и получается 3-фосфоглицериновая кислота.
2. Эта кислота под влиянием АТФ испытывает вторичное фосфорилирование.
3. 1,3-дифосфоглицериновая кислота реагирует с восстановленной формой кофермента НАДФ•Н2 и получается глицеральдегид-3-фосфат.
4. Это соединение изомеризуется в диоксиацетонфосфат.
Глицеральдегид и диоксиацетонфосфат, реагируя друг с другом, образуют фруктозо-1,6-дифосфат:
Последующие реакции довольно сложны и мы не будем приводить их полностью. Наиболее важные этапы сводятся к превращению фруктозо-дифосфата в фруктозо-6-фосфат (отщепление фосфорной кислоты), превращению фруктозофосфата в глюкозо-6-фосфат и наконец к отщеплению второго остатка фосфорной кислоты и образованию из глюкозо-6-фосфата глюкозы, т. е. конечного продукта.
Для того чтобы цикл превращений мог работать, необходимо вернуть в него рибулозо-1,5-дифосфат. Это соединение действительно вновь получается в итоге длинной последовательности реакций. Она начинается с того, что фруктозо-6-фосфат с глицеральдегидом-3-фосфатом образуют ксилулозо- и эритрозофосфаты, а эти последние под влиянием нескольких ферментов и при участии диоксиацетонфосфата дают рибулозо-5-фосфат. Конечная стадия ряда реакций заключается в действии на это соединение АТФ, в результате чего в его молекулу входит вторая фосфатная группа и получается рибулозо-1,5-дифосфат и АДФ.
Свет, таким образом, представляет собой движущую силу своеобразного круговорота электронов в процессе синтеза углеводов.
В результате фотосинтеза получаются не только углеводы. Из фосфоглицериновой кислоты посредством ее аминирования образуются аминокислоты (фосфатная группа отщепляется); углеводы и фосфоглицериновые кислоты используются и в процессах синтеза жиров.
Фотосинтез, требующий такой сложной последовательности реакций, связан и со сложной структурной организацией. В растениях фотосинтетический аппарат сосредоточен в хлоропластах — частицах, имеющих размеры около 5 мк, В хлоропластах находятся молекулы хлорофилла и других пигментов, необходимых для фотосинтетических реакции. Лишь около 0,1% всех молекул участвует в фотохимических превращениях. Остальные молекулы (их может быть более тысячи), поглощая световую энергию, передают ее той молекуле, которая направляет электрон в ферментативную систему. Таким путем достигается равномерный темп фотосинтеза: даже если квант не попадает в молекулу хлорофилла, связанного с ферментным аппаратом, энергия кванта все равно будет доставлена к надлежащему пункту. Группы молекул хлорофилла в хлоропластах, действующие указанным образом, называются фотосинтетической единицей.
К.п.д. фотосинтеза в оптимальных условиях равен приблизительно 28%; это большая величина достигается далеко не всегда и в обычных условиях может быть в 8—10 раз меньше.
Статья на тему Фотосинтез