1 А хлорофилл ° 1/l ° *

или в расчете на 1 моль С0₂:

со₂ + н₂о Т ' сн₂о + о₂

I "'хЛОрОфИлл

3.1.2

—— -I Происхождение 0₂ при фотосинтезе. В приведенном выше

Две фазы ^ уравнении остается неясным, каково происхождение выделяю-

фотосинтеза щегося кислорода (из С0₂ или из Н₂0?). Во второй половине

XIX в. и в начале XX в. считалось, что при фотосинтезе происходит фоторазложение С0₂ с последующим восстанов­лением углерода до углеводов с участием воды. Немецкий химик А. Байер в 1870 г. предложил следующий порядок реакций:

со₂ — > СО + О

1

о₂

_{со + н2о ► сн2о + o-J}

формальдегид

6СН₂0 ► С₆Н₁₂0₆ (в соответствии с реакцией аль-

дольной конденсации, открытой А. М. Бутлеровым)

Исходя из этой гипотезы разложения диоксида углерода, можно было предположить, что для образования Саха­ров и крахмала растения должны усваивать промежуточ­ные продукты — СО или формальдегид. Однако оба соедине­ния оказались токсичными для растений, что указывало на ошибочность схемы Байера.

В 1893 г. крупнейший русский биохимик А. Н. Бах выска­зал мысль о том, что ассимиляция С0₂ при фотосинтезе связана не с отщеплением 0₂ от диоксида углерода, а является сопряженным окислительно-восстановительным процессом, происходящим за счет водорода и гидроксила воды, причем 0₂ выделяется из воды через промежуточные перекисные соединения.

Голландский микробиолог К. Б. ван Ниль, изучая особен­ности бактериального фотосинтеза и сравнивая его с фото­синтезом у растений, в 1937—1941 гг. также пришел к заклю­чению, что первичная фотохимическая реакция фотосинтеза

3.1. Общее уравнение фотосинтеза

63

состоит в диссоциации воды, а не в разложении С0₂. Спо­собные к фотосинтетической ассимиляции С0₂ бактерии (за исключением цианобактерий) нуждаются в восстановителях типа H₂S, Н₂, СН₃ и других и не выделяют в процессе фотосинтеза кислород. Такой тип фотосинтеза был назван фоторедукцией. Ван Ниль пришел к выводу, что для пурпурных или зеленых серобактерий общее уравнение фотосинтеза может быть представлено следующим образом:

со₂ + H₂S [сн₂о] + н₂о + S₂

или в общей форме:

С0₂ + 2Н₂А ^ [СН₂0] + Н₂0 + 2А,

где Н₂А — окисляемый субстрат (донор водорода). Он предпо­ложил, что для высших растений и водорослей Н₂А — это Н₂0, а 2А — это 0₂. Тогда первичным фотохимическим актом в фотосинтезе растений должно быть разложение воды на окислитель [ОН] и восстановитель [Н]. Затем первичный вос­становитель [Н] восстанавливает С0₂, а первичный окислитель [ОН] участвует в реакции, в которой высвобождается 0₂ и снова образуется Н₂0. В соответствии с этим предположе­нием полное уравнение фотосинтеза, по ван Нилю, можно записать так:

^с°; + ^4Н^ [сн₂о] + зн₂о + о₂,

причем эта суммарная реакция слагается из трех этапов: 4Н₂0 —4 [ОН] + 4 [Н]

хлорофилл ^L -^{1 u J}

4 [Н] + С0₂ ► [СН₂0] + Н₂0

4 [ОН] ► 2Н₂0 + 0₂

Идеи ван Ниля были поддержаны результатами опытов английского физиолога растений Р. Хилла, который в 1937 г. показал, что изолированные хлоропласты под действием света способны разлагать воду и выделять кислород в присутствии акцепторов электронов (феррицианида,бензохинона и др.). Это явление получило название реакции Хилла. Согласно Хиллу, процесс разложения воды осуществляется в три этапа:

4Н₂0 ^све7 >4Н⁺ + 40Н~ (фотолиз)

хлорофилл

40Н~ > 2Н₂0 + 4е~ + 0₂

О ОН

бенюхинон гидрохинон

Прямые экспериментальные доказательства того, что кисло­род при фотосинтезе освобождается именно из воды, были получены в 1941 г. независимо в СССР и в США. А. П. Ви­ноградов и Р. В. Тейс с помощью масс-спектрометра пока­зали, что отношение ¹⁶0: ^lsO в кислороде, выделяющемся при фотосинтезе, соответствует соотношению этих изотопов в воде, а не в диоксиде углерода. Группа американских ученых, возглавляемая С. Рубеном и М. Каменом, одновременно про­водила опыты с водорослями. В одной камере, куда помеща­лись водоросли, вода содержала тяжелый изотоп кислорода (H₂^lsO), а кислород С0₂ не метился. Во второй камере, нао­борот, использовался меченый С0₂ (С¹⁸0₂), а в состав воды входил обычный кислород. При освещении водорослей в этих камерах ¹⁸0₂ выделялся в значительно большем количестве, если метка была у кислорода воды.

Доказательства существования световой и темновой фаз фотосинтеза. Уравнение ван Ниля включает две группы реак­ций, причем одна связана с фотодиссоциацией воды, а другая, не зависящая от света, — с восстановлением С0₂ до углевода:

свет

хлорофилл

1) 2Н₂0

+ 4[Н] + 0₂

_п L _1

2) С0₂ + 4[Н]

[СН₂0] + н₂о

Первую реакцию можно назвать световой, вторую — темновой.

Экспериментальные доказательства реального существова­ния этих двух фаз фотосинтеза были получены в опытах с мигающим светом, которые ставились следующим образом. Между источником света и растением помещали непрозрач­ный вращающийся диск с вырезанным сектором. Изменяя скорость вращения диска и величину вырезанного сектора, создавали различную длительность и соотношение светового и темнового периодов. Были использованы и другие способы импульсного освещения. Определялась интенсивность фотосин­теза листьев или суспензии клеток хлореллы. Опыты с мигаю­щим светом, проведенные в России (А. А. Рихтер, 1914) и в США (Р. Эмерсон и У. Арнольд, 1932, 1941), показали, что максимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается не при непрерывном, а при импульсном освещении (пересчет сделан на время освещения) и особенно в тех случаях, когда продол­жительность темновых промежутков составляла 0,04 — 0,06 с (при 25 °С). Оптимальное время световой вспышки оказалось порядка 10"⁵ с. Большая эффективность импульсного света доказывает наличие темновых реакций в фотосинтезе, так как темновые (энзиматические) процессы осуществляются более медленно, чем фотохимические.

Другим доказательством существования темновой фазы фотосинтеза является величина его температурного коэффи­циента Q ю, показывающего, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10 °С. Для химических, в том числе энзиматических процессов, Q₁₀ состав­ляет от 2 до 4, для фотохимических, не зависящих от тем­пературы,— он близок к единице. Для интенсивности фото­синтеза при 15 и 25 °С величина Q_l0 равна 2,0-2,5. Следо­вательно, интенсивность фотосинтеза определяется скоростью его химических (темновых) реакций.

Окончательно вопрос о двухэтапности процесса фотосинтеза был решен американским физиологом и биохимиком растений Д. И. Арноном. В 1954 г. в его лаборатории было показано, что выделенные из листьев шпината хлоропласты под дей­ствием света способны восстанавливать NADP⁺ и фосфорили-ровать ADP:

_NApp+хлоропласты _NADpH свет

ADP + Р₍

хлоропласты

АТР,

3.2