Фотосинтез
Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Фотосинтез — це процес синтезу органичних сполук з вуглекислого газу, води та світла за участю фотосинтетичних пігментів (хлорофіл у рослин, хлорофіл, бактероїхлорофіл і бактеріородопсин у бактерій), часто з віділінням кисню як побічного продукту. Це надзвичайно складний процес, що складається з багатьох координованих біохімічних реакцій. Він відбувається у вищих рослинах, водоростях, багатьох бактеріях, деяких археях і найпростіших — організмах, відомих разом як фототрофи.
Узагальнене рівняння фотосинтеза (брутто-формула) має наступний вигляд: 6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2
Розрізняють оксигенний і аноксигенний типи фотосинтезу. Оксигенний набагато більш поширений, його здійснюють рослини, ціанобактерії і прохлорофіти. Аноксигенний фотосинтез провидиться пурпурними, декими зеленими бактеріями та геліобактеріями.
Виділяють три етапи фотосинтезу: фотофізичний, фотохімічний і хімічний. На першому етапі відбувається поглинання фотонів світла пігментами, їх перехід в збуджений стан і передача енергії до інших молекул фотосистеми. На другому етапі відбувається розділення зарядів в реакційному центрі, перенесення електронів по фотосинтетичному електронотранспортной ланцюгу, що закінчується синтезом АТФ і НАДФН. Перші два етапи разом називають світлозалежною стадією фотосинтезу. Третій етап відбувається вже без обов'язкової участі світла і включає біохімічні реакції синтезу органічних речовин з використанням енергії, накопиченої на світлозалежній стадії. Найчастіше як такі реакції розглядається цикл Кальвіна і глюконеогенез, утворення цукрів і крохмалю з вуглекислого газу повітря.
Зміст |
[ред.] Просторова локалізація
Фотосинтез рослин здійснюється в хлоропластах, відособлених двохмембранних органелах клітини. Хлоропласти можуть бути в клітках плодів, стеблей, проте основним органом фотосинтезу, анатомічно пристосованим до його ведення, є лист. У листі найбільш багата хлоропластами тканина палісадної паренхіми. У деяких суккулентів з виродженим листям (наприклад, кактусів) основна фотосинтетична активність пов'язана із стеблом.
Світло для фотосинтезу захоплюється більш повно завдяки плоскій формі листа, що забезпечує велике відношення поверхні до об'єму. Вода доставляється з кореня по розвиненій мережі судин (жилок листа). Вуглекислий газ поступає частково за допомогою дифузії через кутикула і епідерміс, проте велика його частина діффундірує в лист через устячки і по листу по міжклітинному простору. Рослини, що здійснюють С4 і CAM фотосинтез сформували особливі механізми для активної асиміляції вуглекислого газу.
Внутрішній простір хлоропласту заповнений безбарвною речовиною (стромою) і пронизаний мембранами (ламелами), які з'єднуючись один з одним утворюють тілакоїди, які у свою чергу групуються в стопки, так звані грани. Внутрітілакоїдний простір відокремлений і не сполучається з рештою строми, передбачається також що внутрішній простір всіх тілакоїдов повідомляється між собою. Світлові стадії фотосинтезу приурочені до мембран, автотрофная фіксація [[CO2|вуглекислий газ]] відбувається в стромі.
У хлоропластах є свої ДНК, РНК, рибосоми (70S типу), йде синтез білка (хоча цей процес і контролюється з ядра). Вони не синтезуються знов, а утворюються шляхом ділення попередніх. Все це дозволило вважати їх попередниками вільні ціанобактерії, що увійшли до складу еукаріотічеськой клітки в процесі симбіогенезу.
Ціанобактерії та інші фотосинтетизуючі бактерії та археї, таким чином, самі виконють функції хлоропластів рослин і фотосинтетичний апарат їх клітин не винесений в особливу органеллу. Їх тілакоїди, проте, не утворюють стопок, а формують різні складчасті структури (у одній ціанобактерії Gloeobacter violaceus тілакоїди відсутні зовсім, а весь фотосинтетичний апарат знаходиться на цитоплазматичній мембрані, що не створює впячивань). У них і рослин також є відмінності в світлозбираючому комплексі (див. нижче) і в складі пігментів.
[ред.] Світлова (світлозалежна) стадія
В ході світлової стадії фотосинтезу утворюється високоенергетичні продукти: АТФ, що служе в клітині джерелом енергії, і НАДФН, що використовується як відновник. Як побічний продукт виділяється кисень.
[ред.] Фотохімічна суть процесу
Хлорофіл має два рівні збудження (з цим пов'язана наявність двох максимумів на його спектрі поглинання): перший пов'язаний з переходом на вищий енергетичний рівень електрона системи зв'язаних подвійних зв'язків, другої, — із збудженням неспарених електронів азоту і кисню порфірінового ядра. При незмінному спіні електрона формуються синглетниє перший і другий збуджений стан, при зміненому — тріплетні перший і другий.
Другий збуджений стан найбільш високоенергетічно, нестабільно і хлорофіл за 10-12 сек переходить з нього на перше, з втратою 100 кДж/моль енергії тільки у вигляді теплоти. З першого синглетного і тріплетного станів молекула може переходити в основне з виділенням енергії у вигляді світла (флуоресценція) або тепла, з перенесенням енергії на іншу молекулу, або, оскільки електрон на високому енергетичному рівні слабо пов'язаний з ядром, з переносом електрона на іншу сполуку.
Друга можливість реалізується в світлозбиральних комплексах, перша — в реакційних центрах, де перехідний в збуджений стан під впливом кванта світла хлорофіл стає донором електрона (відновлювачем) і передає його на первинний акцептор. Щоб запобігти поверненню електрона на позитивно заряджений хлорофіл, первинний акцептор передає його вторинному. Крім того, час життя отриманих сполук вище чим у збудженої молекули хлорофілу. Відбувається стабілізація енергії і розділення зарядів. Для подальшої стабілізації вторинний донор електронів окислює позитивно заряджений хлорофіл, первинним донором же є у разі оксигенного фотосинтезу вода.
Проблемою, з якою стикаються при цьому провідні оксигенний фотосинтез організми, є відмінність окислювально-відновних потенціалів води (E0=+0,82 В) і НАДФ+ (E0=-0,32 В). Хлорофіл при цьому повинен мати в основному стані потенціал більший +0,82 У щоб окисляти воду, але при цьому мати у збудженому стані потенціал менший чим −0,32 У щоб відновлювати НАДФ+. Одна молекула хлорофілу не може відповідати обом вимогам. Тому сформувалися дві фотосистеми і для повного проведення процесу необхідно два кванти світла і два хлорофіли різних типів.
[ред.] Світлозбиральні комплекси
Хлорофіл виконує дві функції: поглинання і передачу енергії. Більше 90 % всього хлорофілу хлоропластів входить до складу світлозбиральних комплексів (СЗК), що виконують роль антени, що передає енергію до реакційного центру фотосистем I або II. Крім хлорофілу в СЗК є каратіноїди, а у деяких водоростей і ціанобактерій — фікобіліни, роль яких полягає в поглинанні світла тих довжин хвиль, які хлорофіл поглинає порівняно слабо.
Передача енергії йде резонансним шляхом (механізм Ферстера) і займає для однієї пари молекул 10-10-10-12 сек., відстань на яке здійснюється перенесення складає близько 1 нм. Передача супроводжується деякими втратами енергії (10 % від хлорофілу а до хлорофілу b, 60 % від каратіноїдов до хлорофілу), із-за чого можлива тільки від пігменту з максимумом поглинання при меншій довжині хвилі до пігменту з більшою. Саме у такому порядку взаємно локалізуються пігменти СЗК, причому найбільш довгохвильові хлорофілли знаходяться в реакційних центрах. Зворотний перехід енергії неможливий.
СЗК рослин розташований в мембранах тілакоїдов, у ціанобактерій основна його частина винесена за межі мембран в прикріплених до них фікобілісоми — паличкоподібні поліпептидно-пігментні комплекси, в яких знаходяться різні фікобіліни: на периферії фікоерітріни (з максимумом поглинання при 495—565 нм), за ними фікоцианіни (550—615 нм) і аллофікоцианіни (610—670 нм), що послідовно передають енергію на хлорофіл а (680—700 нм) реакційного центру.
[ред.] Основні компоненти електронно-транспортного ланцюжка
[ред.] Фотосистема II
Фотосистема — сукупність СЗК, фотохімічного реакційного центру і переносників електрона. Світлозбиральний комплекс II містить 200 молекул хлорофілу а, 100 молекул хлорофілу b, 50 молекул каротіноїдов і 2 молекули феофітіна. Реакційний центр фотосистеми II є пігмент-білковим комплексом, розташованим в тілакоїдних мембранах і оточений СЗК. У нім знаходиться дімер хлорофілу а з максимумом поглинання при 680 нм (П680). На нього кінець кінцем передається енергія кванта світла з СЗК, внаслідок чого один з електронів переходить на вищий енергетичний стан, зв'язок його з ядром ослабляється і збуджена молекула П680 стає сильним відновником (E0=-0,7 В).
П680 відновлює феофітін, надалі електрон переноситься на хинони, що входять до складу ФС II і далі на пластохинони, транспортуються у відновленій формі до b6f комплексу. Одна молекула пластохинона переносить 2 електрони і 2 протони, які беруться із строми. Заповнення електронної вакансії в молекулі П680 відбувається за рахунок води. До складу ФС II входить водоокислюючий комплекс, що містить в активному центрі іони марганцю в кількості 4 штук. Для утворення однієї молекули кисню потрібно дві молекули води, що дають 4 електрони. Тому процес проводиться в 4 такти і для його повного здійснення потрібно 4 кванти світла. Комплекс знаходиться з боку внутрітілакоїдного простори і отримані 4 протони викидаються в нього.
Таким чином, сумарний результат роботи ФС II — це окислення 2 молекул води за допомогою 4 квантів світла з утворенням 4 протонів у внутрітілакоїдном просторі і 2 відновлених пластохинонів в мембрані.
[ред.] b6f або b/f-комплекс
b6f комплекс є насосом, що перекачує протони із строми у внутрітілакоїдний простір і створює градієнт їх концентрації за рахунок енергії, що виділяється в окислительно-відновних реакціях електронно-транспортного ланцюжка. 2 пластохинона дають перекачування 4 протонів. Надалі трансмембранний протонний градієнт (pH строми близько 8, внутрітілакоїдного простору — 5) використовується для синтезу АТФ трансмембранним ферментом АТФ-синтазою.
[ред.] Фотосистема I
Світлозбиральний комплекс I містить приблизно 200 молекул хлорофілу.
У реакційному центрі першої фотосистеми знаходиться дімер хлорофілу а з максимумом поглинання при 700 нм (П700). Після збудження квантом світла він відновлює первинний акцептор — хлорофіл а, той — вторинний (вітамін K1), після чого електрон передається на філлохинон, від нього на феррідоксин, який і відновлює НАДФ за допомогою ферменту феррідоксин-НАДФ-редуктази. Білок пластоцианін, окислений в b6f комплексі, транспортується до реакційного центру першої фотосистеми з боку внутрітілакоїдного простори і відновлює окислений П700.
[ред.] Циклічний і псевдоциклічний транспорт електрона
Крім повного нециклічного шляху електрона, описаного вище, виявлений циклічний і псевдоциклічний. Суть циклічного шляху полягає в тому, що феррідоксин замість НАДФ відновлює пластохинон, який переносить його назад на b6f комплекс. В результаті утворюється більший протонний градієнт і більше АТФ, але не виникає НАДФН. При псевдоциклічному шляху феррідоксин відновлює кисень, який надалі перетворюється на воду і може бути використаний у фотосистемі II. При цьому також не утворюється НАДФН.
[ред.] Темновая стадія
У темнової стадії за участю АТФ і НАДФН відбувається відновлення CO2 до глюкози. Хоча світло не потрібне для здійснення даного процесу, воно бере участь в його регуляції.
[ред.] С3 — фотосинтез, цикл Кальвіна
Цикл Кальвіна або відновлюввальний пентозо-фосфатний цикл складається з трьох стадій:
- Карбоксиляція
- Відновлення
- Регенерація акцептора CO2
На першій стадії до рибулезо-1,5-біфосфату приєднується CO2 під дією ферменту рибулезобифосфат-карбоксилаза/оксигеназа (Rubisco). Цей білок складає основну фракцію білків хлоропласту і імовірно найбільш поширений фермент в природі. В результаті утворюється проміжне нестійке з'єднання, що розпадається на дві молекули 3-фосфоглицериновой кислоти (ФГК). У другій стадії ФГК в два етапи відновлюється. Спочатку вона фосфоріліруєтся АТФ під дією фосфороглицерокинази, потім НАДФН при дії триозофосфатдегидрогенази її карбоксильна група окислюється до альдегідної і вона стає вуглеводом (ФГА).
У третій стадії беруть участь 5 молекул ФГА, які через утворення 4-, 5-, 6- і 7-вуглецевих зв'язків об'єднуються в 3 5-вуглецевих рибулезо-1,5-бифосфата, для чого необхідні 3АТФ. Нарешті, дві ФГА необхідні для синтезу глюкози. Для утворення одної молекули глюкози потрібно 6 оборотів циклу, 6 CO2, 12 НАДФН і 18 АТФ.
[ред.] С4 — фотосинтез, цикл Хетча-Слека-Карпілова
При низькій концентрації розчиненого в стромі CO2 Rubisco каталізує реакцію окислення рибулезо-1,5-біфосфата і його розпад на 3-фосфоглицеринову кислоту і фосфогликолеву кислоту, яка вимушено використовується в процесі фотодихання. Для збільшення концентрації CO2 рослини С4 типу змінили анатомію листа. Цикл Кальвіна у них локалізується в клітинах обкладання провідного пучка, в клітинах мезофілу ж під дією ФЕП-карбоксилази фосфоенолпіруват карбоксиліруєтся з утворенням щавелеоцтової кислоти, яка перетворюється на малат або аспартат і транспортується в клітки обкладання, де декарбоксиліруєтся з утворенням пірувату, що повертається в клітки мезофіла.
С4 фотосинтез практично не супроводжується втратами рибулезо-1,5-біфосфата з циклу Кальвіна, тому ефективніший. Проте він вимагає не 18, а 30 АТФ на синтез 1 молекули глюкози. Це виправдовує себе в тропіках, де жаркий клімат вимагає тримати устьєчка закритими, що перешкоджає надходженню CO2 в лист, а також при рудеральній життєвій стратегії.
[ред.] САМ фотосинтез
При CAM (Crassulaceae acid metabolism) фотосинтезі відбувається розділення асиміляції CO2 і циклу Кальвіна не в просторі як у С4, а в часі. Вночі у вакуолях кліток по аналогічному вищеописаному механізму при відкритих устьіцах накопичується малат, вдень при закритих устьіцах йде цикл Кальвіна. Цей механізм дозволяє максимально економити воду, проте поступається в ефективності і С4, і С3. Він виправданий при стрестолерантній життєвій стратегії.
[ред.] Аноксигенний фотосинтез
Аноксигенний фотосинтез провидиться деякими бактеріями та археями (наприклад провидиться пурпурними, декими зеленими бактеріями та геліобактеріями та іншими), ці організми не використовують води у якості відносника, тому у якості побічного продукта не виникає кисню (O2). Замість води використовуються як сірководень (H2S) (бач картину 2) або іони двовалентного заліза (Fe++), унаслідок чого на виході виникають елементарна сірка (S) і тривалентні іони заліза (Fe+++) відповідно, або молекулярний водень (H2). Також і при фотосинтезі з органічними матеріалами не утворюється кисень, і ця форма фотосинтеза також характеризується як аноксигенна. Наприклад, фотосинтез з використанням H2S у якості відновника проходить через наступні стадії:
CO2 + 2 H2S → (CH2O) + 2 S + H2O
Тут CH2O означає фіктивну органічну сполуку, як перший продукт фотосинтеза.
[ред.] Значення фотосинтезу
Фотосинтез є основним джерелом біологічної енергії, фотосинтезуючі автотрофи використовують її для синтезу органічних речовин з неорганічних, гетеротрофи існують за рахунок енергії, запасеною автотрофамі у вигляді хімічних зв'язків, вивільняючи її в процесах аеробного та анаеробного дихання. Енергія отримувана людством при спалюванні викопного палива (вугілля, нафта, природний газ, торф) також є запасеною в процесі фотосинтезу.
Фотосинтез є головним входом неорганічного вуглецю в біологічний цикл. Важ кисень атмосфери біогенного походження і є його побічним продуктом. Формування окислювальної атмосфери повністю змінило стан земної поверхні, зробило можливою появу дихання, а надалі, після утворення озонового шару, дозволило життю вийти на сушу.
[ред.] Вивчення фотосинтезу
Перші досліди по фотосинтезу були проведені Джозефом Прістлі в 1770—1780-их роках, коли він звернув увагу на «псування» повітря в герметичній судині свічкою (повітря переставало бути здатний підтримувати горіння, поміщені в нього тварини задихалися), що горіла, і «виправлення» його рослинами. Прістлі зробив вивід що рослини виділяють кисень, який необхідний для дихання і горіння, проте не відмітив що для цього рослинам потрібне світло. Це показав незабаром Ян Інгенхауз.
Пізніше було встановлено що крім виділення кисню рослини поглинають вуглекислий газ і за участю води синтезують на світлу органічна речовина. У 1842 Роберт Майер на підставі закону збереження енергії постулював що рослини перетворять енергію сонячного світла в енергію хімічних зв'язків. У 1877 В. Пфеффер назвав цей процес фотосинтезом.
Хлорофіл був вперше виділені в 1818 році П. Ж. Пелетье і Ж. Кавенту. Розділити пігменти і вивчити їх окремо вдалося М. С. Цвєту за допомогою створеного ним методу хроматографії. Спектри поглинання хлорофілу були вивчені К. А. Тімірязевим, він же, розвиваючи положення Майера, показав що саме поглинені дозволяють підвищити енергію системи, створивши замість слабких зв'язків С-О і О-Н високоенергетичні С-С (до цього вважалося що у фотосинтезі використовуються жовті промені, що не поглинаються пігментами листа). Зроблено це було завдяки створеному ним методу обліку фотосинтезу по поглиненому CO2, в ході експериментів по освітленню рослини світлом різних довжин хвиль (різного кольору) опинилося що інтенсивність фотосинтезу співпадає із спектром поглинання хлорофілу.
Окислювально-відновніу суть фотосинтезу (як оксигенного, так і аноксигенного) постулював Корнеліс ван Ніль. Це означало що кисень у фотосинтезі утворюється повністю з води, що експериментально підтвердив в 1941 А. П. Виноградов в дослідах з ізотопною міткою. У 1937 Роберт Хилл встановив що процес окислення води (і виділення кисню), а також асиміляції CO2 можна роз'єднати. У 1954—1958 Д. Арнон встановив механізм світлових стадій фотосинтезу, а суть процесу асиміляції CO2 була розкрита Мельвином Кальвіном з використанням ізотопів вуглецю в кінці 1940-х, за цю роботу в 1961 йому була присуджена Нобелівська премія.
У 1955 була виділена і очищена Rubisco. С4 фотосинтез був описаний Ю. С. Карпиловим в 1960 і М. Д. Хетчем и К. Р. Слеком в 1966.
