Фотосинтез

(от фото. И греч. Synthesis - соединение), образование клетками высших растений, водорослей и нек-рыми бактериями органич. Веществ при участии энергии света. Происходит с помощью пигментов (хлорофиллов и нек-рых других), присутствующих в хлоропластах и хроматофорах клеток. В основе Ф. Лежит окислит.-восстановит, процесс, в к-ром электроны переносятся от донора-восстановителя (вода, водород и др.) к акцептору (С02, ацетат) с образованием восстановленных соединений (углеводы) и выделением О2, если окисляется Н2О (фотосинтезирующие бактерии, использующие иные, чем вода, доноры, кислород не выделяют). Преобразование энергии света в энергию химич. Связей начинается в спец. Структурах - реакционных центрах (РЦ). Они состоят из молекул хлорофилла а (у бактерий - бактериохлорофилла, у галобактерий - бактериородопсина), выполняющих функцию фотосенсибилизаторов, пигмента феофитина, связанных с ними доноров и акцепторов электронов и нек-рых других соединений.

В Ф. Высших растений, водорослей и цианобактерий участвуют две последоват. Фотореакции с разл. РЦ. При поглощении квантов пигментами фотосистемы II (ФС II) происходит перенос электронов от воды к промежуточному акцептору и через цепь переноса электронов к РЦ фотосистемы I (ФС I). Возбуждение ФС I сопровождается переносом электрона на вторую ступень (через промежуточный акцептор и ферредоксин к НАДФ+). В РЦ сосредоточена лишь небольшая (= 1% ) часть хлорофилла, непосредственно участвующая в преобразовании энергии поглощённых фотонов в энергию химич. Связей, основная его масса и дополнит, (сопровождающие) пигменты выполняют роль светособирающей антенны. Неск. Десятков или сотен таких молекул, собранных в т. Н. Фотосинтетич.

Единицы, поглощают кванты и передают возбуждение на пигментные молекулы РЦ. Это значительно повышает скорость Ф. Даже при невысоких интенсивностях света. В РЦ происходит образование первичных восстановителя и окислителя, к-рые затем инициируют цепь последоват. Окислит.-восстановит, реакций, и энергия в итоге запасается в восстановленном никотинамидадениндинуклеотидфосфате (НАДФ-Н) и АТФ (фотосинтетич. Фосфорилирование) - осн. Продуктах фотохимич. Световых стадий ф. Продукты первичных стадий Ф. Высших растений и водорослей, в к-рых запасена энергия света, используются в дальнейшем в цикле фиксации СО2 и превращении углерода в углеводы (т. Н. Цикл Калвина). СО2 присоединяется к рибулозодифосфату с участием фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы.

Из полученного щестиуглеродного соединения образуется трёхуглеродная (С3) фосфоглицериновая к-та (ФГК), восстанавливаемая затем с использованием АТФ и НАДФ-Н до трёхуглеродных сахаров (триозофосфатов), из к-рых и образуется конечный продукт Ф.- глюкоза. Вместе с тем часть триозофосфатов претерпевает процесс конденсации и перестроек, превращаясь в рибулозомонофосфат, к-рый фосфорилируется с участием «светового» АТФ до рибулозодифосфата - первичного акцептора СО2, что и обеспечивает непрерывную работу цикла. В нек-рых растениях (кукуруза, сахарный тростник и др.) первоначальное превращение углерода идёт не через трёхуглеродные, а через четырёхуглеродные соединения (С4-растения, С4-метаболизм углерода).

Акцептором СО2 в клетках мезофилла таких растений служит фос-фоенолпируват (ФЕП). Продукты его карбоксилирования - яблочная или ас-парагиновая к-ты диффундируют в об-кладочные клетки сосудистых пучков, где декарбоксилируются с освобождением СО2, к-рый и поступает в цикл Калвина. Преимущества такого «кооперативного» метаболизма обусловлены тем, что ФЕП-карбоксилаза при низкой концентрации СО2 более активна, чем рибулозодифосфаткарбоксилаза, и, кроме того, в обкладочных клетках с пониженной концентрацией О2 слабее выражено фотодыхание, связанное с окислением рибулозофосфата, и сопутствующие ему потери энергии (до 50%). С4-растеиия привлекают внимание исследователей высокой фотосинтетич. Продуктивностью.

Ф.- единств, процесс в биосфере, ведущий к увеличению свободной энергии биосферы за счёт внеш. Источника - Солнца и обеспечивающий существование как растений, так и всех гетеротрофных организмов, в т. Ч. И человека. Ежегодно в результате Ф. На Земле образуется 150 млрд. Т органич. Вещества и выделяется ок. 200 млрд. Т свободного О2. Кругооборот О2, углерода и др. Элементов, вовлекаемых в Ф., создал и поддерживает совр. Состав атмосферы, необходимый для жизни на Земле. Ф. Препятствует увеличению концентрации СО2 в атмосфере, предотвращая перегрев Земли (вследствие т. Н. Парникового эффекта). Кислород Ф. Необходим не только для жизнедеятельности организмов, но и для защиты живого от губительного коротковолнового УФ-излучения (кислородно-озоновый экран атмосферы).

Запасённая в продуктах Ф. Энергия (в виде разл. Видов топлива) является осн. Источником энергии для человечества. Предполагается, что в энергетике будущего Ф. Может занять одно из первых мест в качестве неиссякаемого и незагряз-няющего среду источника энергии (создание «энергетич. Плантаций» быстрорастущих растений с последующим использованием растит, массы для получения тепловой энергии или переработки в высококачеств. Топливо - спирт). Не менее важна роль Ф. Как основы получения продовольствия, кормов, технич. Сырья. Несмотря на высокую эффективность начальных фотофизич. И фотохимич. Стадий (ок. 95%), в урожай переходит лишь менее 1-2% солнечной энергии. Потери обусловлены неполным поглощением света, лимитированием процесса на биохимич.

И физиол. Уровнях. Обеспечение растений водой, минеральным питанием, СО2, селекция сортов с высокой эффективностью Ф., создание благоприятной для светопоглощения структуры посевов и др. Пути используют в целях реализации значит, резервов фотосинтетич. Продуктивности. Для ряда культур оправдано выращивание при полном или частичном искусств, освещении, биотехнол. Способы получения растит, массы (особенно одноклеточных организмов), аквакультура для нек-рых водорослей, и т. П. В связи с этим особенно актуальными становятся разработка теоретич. Основ управления Ф., исследование Ф. Как целостного процесса, закономерностей его регулирования и адаптации к внеш. Условиям. Схема двух фотохимических систем (ФС I и ФС II) фотосинтеза.

Е - окислительно-восстановит, потенциал при рН 7 (в вольтах), Z - донор электронов для ФС II, P680 - энергетическая ловушка и реакционный центр ФС II (светособирающая антенна этого центра включает молекулы хлорофилла а, хлорофилла b, ксантофиллы), Q - первичный акцептор электронов в ФС II, АДФ - аденозиндифосфат, Рнеорг. - неорганич. Фосфат, АТФ - аденозинтрифосфат, Р700 - энергетическая ловушка и реакционный центр ФС I (светособирающая антенна этого центра включает молекуллы хлорофилла а, хлорофилла b, каротин), ВВФ - вещество, восстанавливающее ферредоксин.Упрощённая схема цикла Калвина - пути фиксации углерода при фотосинтезе.Продукты световых и темиовых реакций фотосинтеза..