Фотосинтез - ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ

Фотосинтез — синтез органических веществ из неорганических, идущий за счет энергии солнечного излучения. Первичными продуктами фотосинтеза являются растворимые сахара, которые через ряд ферментативных реакций превращаются в запасные вещества в виде крахмала и других полисахаридов или же расходуются клеткой. В процессе фотосинтеза энергия и углерод переводятся в формы, доступные всем организмам. Происходит частичное восстановление углерода и образование углеводов со значительным запасом энергии в химических связях:

Процесс фотосинтеза состоит из световой и темповой фаз.

Для световой фазы необходим свет, происходит она в мембранах тилакоидов с участием встроенных в нее хлорофилла, белков-переносчиков и АТФ-синтетазы (рис. 8.5). Ведущую роль в процессах фотосинтеза играют фотосинтезирующие пигменты, обладающие уникальным свойством — улавливать свет и превращать его энергию в химическую энергию. Кванты света поглощаются электронами в составе молекулы хлорофилла. Эти электроны с большим запасом энергии могут покидать хлорофилл, захватываться переносчиками и передаваться на наружную поверхность мембраны тилакоидов, где накапливаются. Внутри полостей тилакоидов солнечный свет приводит к фотолизу воды — разложению воды на ион водорода Н⁺ и ион гидроксила ОН^-. Одновременно с этим ион гидроксила отдает свой электрон е^- хлорофиллу, а возникающие радикалы ОН образуют воду и кислород (4OН → 2Н₂O + O₂). Образующийся таким образом кислород выделяется зелеными растениями, что в течение многих сотен миллионов лет привело к созданию кислородной атмосферы Земли.

Рис. 8.5. Фотосинтез

Протоны водорода, образовавшиеся при фотолизе воды, не могут проникнуть через мембрану граны и накапливаются внутри нее, создавая и пополняя Н⁺-резервуар. В результате внутренняя поверхность мембраны граны заряжается положительно (за счет Н⁺), а наружная — отрицательно (за счет е^-). По мере накопления по обе стороны мембраны противоположно заряженных частиц нарастает разность потенциалов. При достижении критической величины разности потенциалов сила электрического поля начинает проталкивать протоны через канал АТФ-синтетазы. На выходе из протонного канала создается высокий уровень энергии, которая используется для синтеза из АДФ молекул АТФ. Ионы водорода Н⁺, оказавшись на наружной поверхности мембраны тилакоида, встречаются там с электронами, образуя атомарный водород, который идет на восстановление НАДФ. АТФ и НАДФ • Н₂ транспортируются в матрикс пластид и участвуют в процессах темновой фазы.

Темновая фаза, фотосинтеза протекает в матриксе хлоропласта как на свету, так и в темноте и представляет собой ряд последовательных преобразований СO₂, поступающего из воздуха. В результате из углекислого газа и воды при участии АТФ и НАДФ • Н₂ образуются органические молекулы моносахаридов, которые превращаются в крахмал и запасаются растениями. В процессе фотосинтеза кроме глюкозы синтезируются мономеры других органических соединений — аминокислоты, глицерин и жирные кислоты. Благодаря процессу фотосинтеза хлорофиллсодержащие клетки обеспечивают себя и все живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.