Фотосинтез

Функціонування живих організмів – це корисна робота біохімічних, електричних, електромеханічних і механохімічних систем організму за рахунок вільної енергії розщеплення макроергічних сполук.

Макроергічні сполуки синтезуються в організмі у процесах перетворення хімічних сполук або енергії електромагнітних хвиль, які надходять в організм з навколишнього середовища.

Основна роль Ф – забезпечує постійне перетворення СО2 у вуглеводи завдяки поглинанням квантів сонячної енергії (світла).

1. Енергія хімічних зв'язків:

(окиснення сполук→макроергічні тіоефіри→синтез АТФ);

(окиснення сполук→НАДН+, НАДФН+, ФАДН2 →енергетична накачка мембран→синтез АТФ).

2. Енергія електромагнітних хвиль

(поглинання енергії→енергетична накачка мембран→синтез АТФ);

(поглинання енергії→електрон-збуджений→стан корисна робота).

Фотосинтез - планетарний біоенергетичний процес

6 H2O + 6 CO2 ─(light energy)→ C6H12O6 + 6 O2 + ΔG (2868 кДж/моль)

За цим рівнянням групують багато елементарних реакцій, які загалом можна згрупувати у 3 групи:

1. Властиво фотохімічний етап фотосинтезу - належить поглинання кванту світла пігментами, міграцію енергії електронного збудження до речовин здатних до зворотних окисно-відновних реакцій;

2. Етап переносу (транспорт електрона) і спряженний з ним синтез високовідновлених сполук, формування лабільних зв'язків, макроергічних;

3. Етап біохімічних темнових реакцій, в ході яких проходить відновлення СО2→[H-CH-OH] і ряду первинних продуктів фотосинтезу.

У зелених водоростей та вищих рослин первинні процеси фотосинтезу відбуваються в спеціальних тилакоїдних мебранах (сотні на 1 мкм);

У зелених водоростей та вищих рослин первинні процеси фотосинтезу відбуваються в спеціальних тилакоїдних мебранах (сотні на 1 мкм); у прокаріот цей апарат організований простіше і представлений поодинокими тилакоїдами чи їх скупченями.

У мембранах тилакоїдів знаходяться фотосинтетичні пігменти та білкові комплекси, які формують електронно-транспортні ланцюги.

Білкові комплекси анізотропно розміщені в тилакоїдах, створюючи векторне направлене перенесення електронів – така властивість відіграє суттєву роль у трансформації світлової енергії в хімічну енергію зв'язків.

Хлорофіли відносяться до порфіринів, це гетероциклічна система, яка має полієнову структуру, складається з 4 пірольних кілець, обєднаних метиновими містками, ця структура володіє здатністю поглинати видиме світло.

Завдяки ліпофільним властивостям фітолу – високомолекулярного спирту – хлорофіл має здатність вмонтовуватися в ліпідний шар мембран

Крім найбільш поширених хлорофілів а і b, відомі також фотосинтетичні пігменти хлорофіл с (виявлено у діатомових та бурих водоростях), хлорофіл d червоних водоростей, та хлорофіл е золотистих водоростей.

Їх відмінність полягає у здатності поглинати світло і флуорисціювати при різних довжинах хвилі.

У процесі фотосинтезу беруть участь також і додаткові пігменти – каротиноїди (α- і β-каротини (синє світло, передають енергію хлорофілу, виконують роль світлозбирачів та ксантофіли).

У ціанобактерій та червоних водоростей, які не мають хлорофілів, містять особливі пігменти фікоціани і фікоеритрини.

ФОТОСИНТЕТИЧНІ АНТЕНИ

КВАНТОВИЙ ВИХІД ФЛУОРЕСЦЕНЦІЇ

У хлоропласті внаслідок взаємодії пігментів між собою, з білками, ліпідами, спостерігається зсув в червону ділянку спектру.

Важливу інформацію несуть спектр флуоресценції і значення квантових виходів флуоресценції:

де kf – випускання квантів флуоресценції,

kic – внутрішня конверсія,

kis – перехід у триплетний стан,

kQ – гасіння електронно-збудженого стану,

kt - індуктивно-резонансна міграція,

kр – використання S1 для фотосинтезу.

ФОТОСИСТЕМИ

У 50-х роках ХХ ст. дослідами Емерсона експериментально доведено, що у фотосинтезі рослин беруть участь 2 фотохімічні системи.

В умовах слабого освітлення швидкість фотосинтезу за спільної дії квантів червоного (λ1=700 нм) і більш короткохвильового (λ2=680 нм) була більшою ніж за дії сумарного освітлення.

(ефект ЕМЕРСОНА)

Отже повний процес фотосинтезу здійснюють 2 фотосистеми (ФС).

ФС І – реакційний центр з поглинанням 700 нм (Р700-пігмент);

ФС ІІ - реакційний центр з поглинанням 680 нм (Р680-пігмент);

Фотосистема І - фотосинтетична одиниця – це функціональна одиниця, яка має “антени”, світлозбиральні комплекси, та фотохімічний реакційний центр).

Фотосистема ІІ – білковий комплекс, поглинаючи кванти світла, окиснює воду, відновлює пластохінон, створює несиметричне трансмембранне розділення зарядів і генерує електрохімічний потенціал .

Світлова енергія абсорбується через світлочутливі пігменти, які трансформують енергію до реакційних центрів, які містять спеціаліззовані молекули хлорофілу .

Ці пігменти і функціонують як світлозбиральні антени.