6. Спектральный состав солнечного света

6.1 Спектральный состав солнечного света

Возможное действие излучения, поглощенного микробной клеткой или веществом, зависит от энергии фотона, т.е. длины волны излучения (рисунок 1).

Слайд №38 .Фотон - это дискретная доза энергии, обратно пропор­циональная длине волны электромагнитного излучения.

Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный свет - это тот участок электромагнитного спектра с длинами волн от 200 до 1200нм, который обеспечивает энергией процесс фотосинтеза и способен вызвать химическое изменение в поглотившей его молекуле.

Инфракрасный свет с длиной волны более 1200нм несет мало энергии. При поглощении клетками, она не может вызвать химических изменений и немедленно превращается в тепло.

Ионизирующая радиация с очень короткой длиной волны (рентгеновские лучи, α-частицы, космические лучи) несет много энергии. Молекулы, встречающиеся на пути этого излучения, сразу же ионизируются.

6.2 Механизм биологического поглощения света

Каким требованиям должен удовлетворять свет как фактор для "возбуждения" электронов? Кванты света должны обеспечивать переходы электронов с низкоэнергетических на высокоэнергетические уровни. Это возможно в том случае, когда разница между энергетическими уровнями при переходе электрона с орбиты на орбиту равна энергии кванта света. Должны были образоваться такие вещества, в молекулах которых эти электронные переходы соответствуют энергии поглощенного кванта света. Подобным требованиям отвечают молекулы хлорофиллов и других пигментов, у которых переход электронов в возбужденное высокоэнергетическое состояние происходит под действием квантов света с длиной волны в диапазоне 300 — 1100 нм.

Слайд №39 Рассмотрим процессы, происходящие при поглощении кван­та света молекулой хлорофилла (рисунок 2).

Основная масса хлорофилла и других фотосинтетических пигментов клетки представляет собой антенну, улавливающую световую энергию. В темноте молекула хлорофилла находится в стабильном невозбужденном состоянии, а ее электроны — на основном энергетическом уровне (S_o). Когда квант света попадает на молекулу хлорофилла, порция энергии этого кванта поглощается одним из электронов, который переходит на новый, более богатый энергией уровень, а молекула хлорофилла переходит при этом в возбужденное состояние. В зависимости от того, какова энергия поглощенного кванта, электрон может перейти на разные энергетические уровни: квант синего света поднимает электрон на второй синглетный уровень (S₂), квант красного света — на первый(S₁).

7. Фотосинтез и фотосинтезирующие микроорганизмы

7.1 Определение и природа фотосинтеза

Третий (первые два: дыхание и брожение) и наиболее сложный по механизму способ образования АТФ — это фотосинтез, где в качестве источника энергии используется свет.

Слайд №40. Фотосинтез — процесс, при котором происходит превращение световой энергии в химическую. Специальные пигменты микроорганизмов и растений с помощью солнечной энергии из диоксида углерода и воды образуют органическое вещество и кислород, благодаря чему поддерживается жизнь на Земле. Фотосинтез может быть оксигенным и аноксигенным.

Вначале термин «фотосинтез» использовали для описания общего метаболизма растений, водорослей и цианобактерий, который можно представить следующей реакцией:

свет

С0₂+Н₂0 → (СН₂0)+0₂,

где (СН₂0) означает органические соединения со степенью окисления, соответствующей средней степени окисления в клетке.

Эта реакция не описывает процесс, в ходе которого образуется АТФ, а отражает его следствие в биосинтезе: превращение углекислого газа в органические вещества клетки под действием света.

Слайд №41. Фотофосфорилирование - это процесс образования АТФ при переносе энергии света, поглощенного фотосинтетической пиг­ментной системой. Механизм фотофосфорилирования аналогичен окислительному фосфорилированию — в данном случае АТФ также образуется при прохождении электронов через цепь переноса электронов. При фотосинтетическом метаболизме не происходит субстратного фосфорилирования, в результате которого при брожении образуется весь АТФ, а при дыхании его часть.

Известно 5 групп бактерий, способных преобразовывать световую энергию в химическую с помощью хлорофилла. Фотосинтез, осуществляемый ими, делится на 2 типа: не сопровождающийся выделением молекулярного кислорода (бескислородный фотосинтез) и сопровождающийся выделением кислорода (кислородный фотосинтез).

Слайд №42. Кислородный (оксигенный) фотосинтез - это процесс пре­вращения световой энергии в химическую при котором фотосинтезирующие организмы (растения, водоросли, цианобактерии и прохлорофиты) используют в качестве единственного источника восстановителя воду, а сопутствующее фотосинтезу окисление воды приводит к образованию кислорода.

При кислородном фотосинтезе кислород образуется за счет окисления воды, сопряжённого посредством реакции нециклического фотофосфорилирования с восстановлением НАД(Ф) (никотинадениндинуклеотидфосфат-пиридиновое соединение):

2 НАД(Ф)⁺ + 2Н₂0+2АДФ+2(Ф)→ 2НАД(Ф)Н + 0₂ + 2АТФ+2Н⁺

При кислородном фотосинтезе фотосинтезирующие организмы используют в качестве основного источника углерода углекислый газ, поэтому их метаболизм требует значительного восстановительного потенциала.

Слайд №43 Бескислородный (аноксигенный) фотосинтез - это процесс превращения световой энергии в химическую, при котором фотосинтезирующие организмы (пурпурные и зеленые бактерии) используют в качестве восстановителя не углекислый газ, а восстановленные неорганические соединения (например, сероводород или водород) и неко­торые органические соединения, что не приводит к образованию кислорода.

При бескислородном фотосинтезе фотосинтезирующие организмы используют в качестве основного источника углерода вместо углекислого газа другие органические соединения; у этих бактерий уже нет особой необходимости в восстановительном потенциале для биосинтеза.

Молекулярный кислород (0₂) не участвует в реакциях образования АТФ ни в одном из этих типов фотосинтеза. Следовательно, в принципе любой фотосинтез может происходить в строго анаэробных условиях. Однако все организмы, осуществляющие кислородный фотосинтез, являются аэробами в том смысле, что они должны быть жизнеспособны в присутствии кислорода.