8. Биохимия фотосинтеза.

Фотосинтез это процесс усвоения зелеными растениями СО2 воздуха, который происходит с обязательным участием световой энергии и приводит к образованию в растениях различных органических веществ и выделения в атмосферу кислорода. Фотосинтез это единственный источник свободного кислорода, и один из основных источников образования природных органических веществ. Упрощенное суммарное уравнение: 6CO2 + 12H2O = 6C6H12O6 + 6H2O + 6O2

При фотосинтезе создается 90% сухого вещества растений. Поэтому урожайность сельскохозяйственных культур зависит от фотосинтеза. Тимирязев установил, что фотосинтез подчиняется основному закону фотохимии :

Солнечная энергия должна быть вначале поглощена каким-то органическим веществом и только после этого она будет способна выполнить работу по созданию другого органического вещества. Количество энергии необходимой для синтеза 1 моля гексозы составляет 2870 кДж. Световую энергию поглощает в растениях пигмент зеленого цвета – хлорофилл. В растениях присутствует 2 вида хлорофилла: хлорофилл -А и хлорофилл-В. Хлорофилл содержится в каждой клетке в составе хлоропластов. Количество хлорофилла в хлоропластах =1%. Кроме хлорофилла в фотосинтезе принимает участие каротин и лютеин. По современным представлениям весь процесс фотосинтеза делится на 3 этапа:

1. фотохимическое разложение воды. Этот процесс идет с участием хлорофилла который на этом этапе и поглощает световую энергию.

2. Проходит большое количество ОВР в которых происходят перенос водорода при разложении воды на нуклеотид фосфаты, которые востонавливаются подсоединяя водород. Одновременно с этим процессом происходит синтез АТФ, который забирает у хлорофилла энергию.

3. Полученные во 2-ом этапе НАДФ*Н2 и АТФ используются для восстановления диоксида углерода с участием воды до углеводов и др органических веществ.

Первый и второй этапы обязательно должны происходить на свету, а реакции 3-его этапа могут происходить в темноте.

Упрощенная схема фотосинтеза:

1. фотолиз воды.

Под действием световой энергии при участии хлорофилла и ферментов происходит расщепление воды, при этом выделяется молекулярный кислород, а водород используется для восстановления нуклеотодфосфатов.

2Н2О + 2НАДФ+(свет, фермент, хлорофилл)= 2НАДФ*Н2+О2

2. карбоксилирование рибулезо 1,5 дифосфата

фермент: рибулезо ди фосфат карбоксилаза

Формула 7

3. фосфорилирование 3 фосфогрицериновой кислоты

фермент: фосфо глицерат киназа

Формула 8

4. восстановление ди фосфо глицериновой кислоты

Водород для восстановления берется от нуклеотид фосфата полученного в 1-ой реакции.

Фермент: триоза фосфат де гидро гиназа

Формула 9

5. изомеризация фосфо глицеринового альдегида

фермент: триоза фосфат изомераза

Формула 10

6. конденсация фосфо глицеринового альдегида и фосфо ди окси ацетона

фермент: альдолаза

Формула 11

7. Реакция де фосфорелирования фруктозо 1,6 ди фосфата

Фермент: фосфотаза

Формула 12

9 …………………………………………………….

8. Начиная с этой реакции в растениях образуются различные углеводы на основе соединения полученного в предыдущих реакциях.

Реакция конденсации фруктозо 6 фосфата и фосфо глицеринового альдегида.

Фермент: транс кетолаза

Формула 13

9. конденсация эритроза 4 фосфата и фосфо ди окси ацетона.

Фермент: транс альдолаза

Формула 14

10. де фосфорелирование седо гептулезо 1,7 дифосфата.

Фермент: фосфотаза

Формула 15

11. конденсация седо гептулезо 7 фосфата и фосфо глицеринового альдегида.

Фермент: транс кетолаза

Формула 16

12. изомеризация рибозо 5 фосфата.

Фермент: рибозо фосфат изомераза

Формула 17

13. эпимиризация ксилозо 5 фосфата.

Фермент: ксилозо фосфат изомераза

Формула 18

14. фосфорелирование рибулезо 5 фосфата.

Фермент: фосфорилаза

Формула 19

Цикл фотосинтеза замыкается, полученное соединение принимает участие начиная со 2-ой реакции. Конечным продуктом фотосинтеза является фруктозо 6 фосфат, который получается в 7-ой реакции. Для получения 1 молекулы фруктозо 6 фосфата реакции с 8-ой по 12-ую должны повториться 2 раза, 6-ая и 7-ая реакция должны пройти 3 раза, 13-ая 4 раза, 5-ая 5 раз, 1-ая, 2-ая и 14-ая 6 раз, 3-ая и 4-ая 12 раз.

Если все реакции просуммировать, то конечное уравнения фотосинтеза будет выглядеть так: 6СО2 + 23Н2О + 18АТФ =С6Н11О5(ф) + 18АДФ + 17Н3РО4 + 6О2

Потверждение правельности такой схемы фотосинтеза получается в следущем экпирименте :

Растения были помещены в газовую среду содержщюу СО2 с радиактивным изотопом углерода (С14) и в этой газовой среде начался процесс фотосинтеза. Через 3 минуты все сединения фотосинтеза были насыщенны изотопом углерода С14. В аминокислотах изотоп С14 стал появляться через 7 минут, в белках и др соединениях полное насыщение произошло через 30-60 минут. Установлено что в течении года все растения на земле поглощают 3.5*10 тонн СО2 , при этом в атмосферу выделяется 2,5*10 тонн кислорода и синтезируется 2.3*10 органических веществ.

Человечество пользуется энергией запасенной в результате фотосинтеза миллионы лет назад. Эта энергия в виде природных ископаемых.