1.2. Фотосинтез и хемосинтез.

Синтез органических веществ из СО₂ и Н₂О, идущий за счет энергии солнечного света, называется фотосинтезом.

Фотосинтез осуществляется в хлоропластах зеленых растений, содержащих пигмент хлорофилл, который способен поглощать свет в красной и синей частях спектра. Имеются и другие светопоглощающие пигменты, которые придают некоторым водорослям и бактериям бурый, красный или пурпуровый цвет. Энергетические закономерности фотосинтеза как процесса использования света для образования органических веществ в растениях раскрыты русским физиологом К. Е. Тимирязевым (1843-1920). Процесс фотосинтеза очень сложный и многоступенчатый. В нем выделяют две главные стадии – «световую» и «темновую». «Световая» стадия – это серия реакций, вызываемых светом, «темновая» – реакции, для которых свет не нужен, но они могут протекать и на свету.

Световые реакции проходят в мембранах хлоропластов. Свет, попадая на молекулы хлорофилла, которые находятся в мембранах тилакоидов гран, приводит их в возбужденное состояние. В результате этого е¯ сходят со своих орбит и с помощью переносчиков выносятся за пределы мембраны тилакоида, создавая отрицательно заряженное поле.

О свободившиеся места вышедших электронов занимают е¯, появившиеся в результате фотолиза (фоторазложения) воды:

Н₂О ОН^- + Н⁺ ; ОН^- - е¯ ОН

Г идроксилы ОН^- , став радикалами ОН объединяются:

4 ОН 2 Н₂О+О_{2 ,} образуя воду и свободный кислород. Кислород может использоваться растением при дыхании или выделяться в атмосферу.

Протоны Н⁺ не проникают через мембрану и накапливаются внутри, образуя положительно заряженное поле, что приводит к увеличению разности потенциалов по обе стороны мембраны.

При достижении критической разности потенциалов (200 мВ) протоны Н⁺ у стремляются по протонному каналу в ферменте АТФ – синтетазы, встроенному в мембрану тилакоида, наружу. На выходе из протонного канала создается высокий уровень энергии, которая идет на синтез АТФ (АДФ + Ф АТФ). Образовавшаяся молекула АТФ переходит в строму, где участвует в реакциях фиксации углерода.

Протоны Н⁺, вышедшие на поверхность мембраны тилакоида, соединяются с е¯, образуя атомарный Н, который идет на восстановление окисленной формы переносчика водорода никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ):

2 е¯ +2 Н⁺ +НАДФ⁺ НАДФ . Н₂.

Таким образом, активированный световой энергией электрон хлорофилла используется для присоединения водорода к переносчику. НАДФ. Н₂ переходит в строму хлоропласта, где участвует в реакциях фиксации углерода.

Темновые реакции (реакции фиксации углерода) осуществляются в строме хлоропласта, куда поступает АТФ, НАДФ. Н₂ из тилакоидов гран и СО₂ из воздуха. Кроме того, в строме постоянно находятся пятиуглеродные соединения – пентозы С₅, которые образуются в цикле фиксации СО₂, называемом циклом Кальвина в честь американского биохимика М. Кальвина, впервые подробно изучившего этот цикл.

Упрощенно этот цикл можно описать следующим образом.

К пентозе С₅ присоединяется СО₂, в результате чего появляется нестойкое шестиуглеродное соединение С₆, которое расщепляется на две трехуглеродные группы 2С₃ – триозы.

Каждая из триоз 2С₃ принимает по одной фосфатной группе от двух АТФ, что обогащает молекулу энергией, и по одному атому водорода от двух НАДФ. Н_2. После чего одни триозы объединяются, образуя углеводы

2 С₃ С₆ С₆Н₁₂О₆ (глюкоза), а другие триозы объединяются, образуя пентозы 5 С₃ 3 С₅, и вновь включаются в цикл фиксации СО₂.

Суммарная реакция фотосинтеза:

энергия света

6 СО₂ + 6 Н₂О С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

хлорофилл

Значение фотосинтеза огромно: в результате фотосинтеза накапливается органическое вещество, в котором аккумулирована энергия солнечного света; фотосинтез обеспечивает поступление в атмосферу молекулярного кислорода.

Хемосинтез – это синтез органических веществ из неорганических, при котором источником энергии служат процессы окисления различных неорганических веществ: аммиака, сероводорода, серы, водорода и соединений железа (в отличие от фотосинтеза, при котором источником энергии является солнечный свет). Хемосинтез был открыт русским ученым С. Н. Виноградским в 1887 году.

Важной группой хемосинтезирующих организмов являются нитрифицирующие бактерии. Они способны окислять аммиак, образующийся при гниении органических остатков, сначала до азотистой, а затем до азотной кислоты:

2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + 2Н₂О + 663 кДж

2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃ + 142 кДж

Азотная кислота, реагируя с минеральными соединениями, образует нитраты, которые хорошо усваиваются растениями.

Бесцветные серобактерии энергию, необходимую для синтеза органических веществ из углекислого газа, получают при окислении сероводорода:

2H₂S + O₂ = 2Н₂О + 2S + 272 кДж.

Выделяющаяся в результате свободная сера накапливается в клетках бактерий в виде крупинок. При недостатке сероводорода бактерии производят дальнейшее окисление серы до серной кислоты:

2S + 3O₂ + 2Н₂О = 2H₂SO₄ + 636 кДЖ.

Железобактерии окисляют двухвалентное железо до трехвалентного:

4FeCO₃ + O₂ + 6Н₂О = 4Fe (OH)₃ + 4CO₂ + 324 кДж.

Водородные бактерии используют энергию, выделяющуюся при окислении молекулярного водорода:

2H₂ + O₂ = 2Н₂О + 235 кДж.

Значение хемосинтеза также велико: нитрифицирующие бактерии участвуют в круговороте азота в биосфере; серобактерии, образуя серную кислоту, способствуют разрушению горных пород, каменных и металлических сооружений; серобактерии, окисляющие серу до сульфатов, очищают сточные воды; железобактерии участвуют в образовании болотной железной руды; водородные бактерии участвуют в окислении водорода, накапливающегося в природных условиях в больших количествах.

Зеленые растения и бактерии, синтезирующие органические вещества из неорганических, используя энергию солнечного света (фотосинтез) или энергию химических реакций (хемосинтез) называются автотрофными организмами.

Организмы животных, грибов и микроорганизмов, использующие для синтеза органических веществ энергию, освободившуюся в результате диссимиляции готовых органических соединений (белков, жиров и углеводов), называются гетеротрофными.

Пример 1: за сутки один юноша массой 60 кг при дыхании потребляет в среднем 400 г кислорода; 1м² луга в процессе фотосинтеза за 5 весенне-летних месяцев поглощает 18 кг углекислого газа. Определите, сколько кв. м. луга обеспечат кислородом этого юношу в течение года?

Решение:

1. За сутки юноша потребляет 400 г кислорода, значит в течение года ему необходимо:

0,4 кг х 365 =146,0 кг.

2. Растения луга в течение 5 весенне-летних месяцев выделяют кислород, которым юноша будет дышать в течение года. Из условия задачи известно, что 1м² луга при фотосинтезе потребляет 18 кг углекислого газа. Исходя из этого, по уравнению реакции определим, сколько при этом выделяется кислорода:

6 СО₂ + 2 Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6 СО₂

м.в. СО₂ = 44; м. в. О₂ = 32. Составляем пропорцию:

6 х 44 г СО₂ 6 х 32г О₂

18000г CO₂ Хг О₂

Х = 18000 х (6 х 32) : (6 х 44) = 1309 г. (13,09 кг) О₂

3. 13,09 кг кислорода выделяет 1м² луга, а юноше в течение года потребуется для дыхания 146,0 кг кислорода. Составим пропорцию:

1м² луга 13,09 кг О₂

Х м² 146 кг О₂

Х = (1 х 146) : 13,09 = 11,15 м² луга.

Ответ: примерно 11 кв. м. луга обеспечат юношу кислородом в течение года.

Пример 2: водородные бактерии необходимую энергию для синтеза органических веществ в своей клетке получают за счет окисления водорода, накопленного в природных условиях:

H₂ + O₂ = Н₂О + 235 кДж.

Проставьте коэффициенты в химической реакции, протекающей в водородных бактериях, и определите, сколько грамм-молекул водорода нужно окислить, чтобы получить энергию в количестве 1500 кДж для синтеза органических веществ.

Решение:

1. Проставляем коэффициенты в уравнении реакции:

2H₂ + O₂ = 2Н₂О + 235 кДж.

2. Определяем по уравнению реакции количество молекул водорода, которые нужно окислить клетке для получения необходимой энергии:

2 молекулы Н₂ 235 кДж

Х молекул Н₂ 1500 кДж

2 х 1500

Х = 235 = 12,8 молекул Н_2.

Ответ: 12,8 молекул Н₂ нужно окислить водородной бактерии, чтобы получить энергию в количестве 1500 кДж для синтеза органических веществ в клетке.