Лекция 9. Фотосинтез как основной источник органических веществ на Земле

Фотосинтез – единственный процесс на Земле, в результате которого энергия солнечного излучения превращается в энергию химических связей органических соединений.

Органическое вещество, синтезируемое автотрофными организмами, передается по цепям питания; таким образом, за его счет существуют все организмы на Земле.

1. Значение фотосинтеза

Значение фотосинтеза состоит в:

1) пополнении убыли органических соединений, непрерывно происходящей на нашей планете вследствие жизнедеятельности гетеротрофных организмов, а также производственной деятельности человека;

2) накоплении в продуктах фотосинтеза соответствующих количеств химической энергии;

3) поддержании уровня содержания в атмосфере кислорода, необходимого для существования подавляющего количества организмов, населяющих нашу планету;

4) устранении возможности накопления в атмосфере избытка углекислого газа.

2. Общие представления о химизме фотосинтеза

Фотосинтез, протекающий в клетках зеленых растений и некоторых бактерий, является чрезвычайно сложным процессом. Упрощенно его химизм можно выразить в виде следующего уравнения суммарной реакции:

квант света

↓

nH₂O + nCO₂ → → (CH₂O)n + nO₂↑

Фотосинтез осуществляется в 2 стадии (фазы): световую и темновую:

квант света

↓ АТФ, НАДФН CO₂

↓ ↑ ↓ ↓

световые реакции → → → темновые реакции (цикл Кальвина)

↑ ↓ ↓

Н₂О О₂ (CH₂O)n

3. Характеристика фотосинтетического аппарата

Растения в своих зеленых частях имеют сложно устроенный фотосинтетический аппарат – фотосинтез происходит в зеленых пластидах - хлоропластах. Содержимое хлоропластов состоит из стромы (матрикса), имеющей белковую природу, и гран – зернистых образований, имеющих форму цилиндриков размером около 2 мкм. Граны состоят из плоских мешочкообразных пузырьков, имеющих двойную мембрану и называемых тилакоидами. В гранах они расположены стопками. В 1-й клетке зеленого листа, как правило, содержится 20-100 хлоропластов, а в каждом гране – 10-100 тилакоидов. Граны связаны между собой мембранными перемычками, которые называются ламеллами. В расчете на сухие вещества в хлоропласте содержится 50% белка, 35% липидов, 7% пигментов.

Реакции световой стадии фотосинтеза происходят в тилакоидах, а темновой – в строме.

Хлоропласты окрашены в зеленый цвет за счет зеленых пигментов (хлорофилла), которые расположены на внутренней мембране.

Молекула хлорофилла состоит из тетрапиррольного кольца; в нем имеется 9 сопряженных двойных связей. Обязательным компонентом хлорофилла является атом магния, соединенных с 4-мя атомами азота пиррольных колец с помощью металлоорганической связи.

Функции хлорофилла при фотосинтезе:

1. Избирательно поглощает энергию света.

2. Запасает ее в виде энергии электронного возбуждения.

3. Преобразовывает энергию возбужденного состояния в химическую энергию органических соединений: под действием света электрон от хлорофилла отрывается и восстанавливает другие соединения.

Помимо хлорофилла к фотосинтетическим пигментам относятся каротиноиды – желтые, оранжевые, красные.

Они всегда есть в фотосинтезирующих органах растений. Относятся к терпенам, которые построены на основе изопреновых блоков:

Функции каротиноидов:

1. Участие в поглощении света в качестве дополнительных пигментов.

2. Защита молекул хлорофилла от необратимого фотоокисления, которое может происходить под действием яркого света.

Структура фотосинтетического аппарата

Пигменты растений организованы в светособирающие комплексы, которые локализованы на внутренних мембранах хлоропластов.

Функции светособирающих комплексов: поглощение света и передача энергии возбужденного состояния на реакционный центр.

Реакционный центр – белок, содержащий молекулу хлорофилла, способную из возбужденного состояния отдавать электрон.

Хлорофилл существует в возбужденном состоянии в течение 10 ^–12 - 10 ^{– 9} сек. На ярком солнечном свету 1 квант света поглощается не чаще 1 раза за 0,1 сек. В течение остального времени молекула хлорофилла простаивает. Пигменты светособирающего комплекса поглощают энергию света и передают на реакционный центр для ее более производительного функционирования. Передача энергии осуществляется по принципу индуктивного резонанса.

Необходимыми условиями для фотосинтеза являются:

• Светособирающие комплексы

• Фотосистемы 1 и 2.

Фотосистемы – белковые комплексы, с помощью которых энергия света превращается в энергию химических связей через энергию возбужденного состояния хлорофиллов.

• АТФ-аза (фермент, обеспечивающий синтез АТФ).