Перетворення енергії світла в енергію хімічних зв’язків

Перші клітини, здатні використовувати енергію сонячного світла, з’явилися на Землі приблизно 4 млрд років тому в архейскую еру. Це були ціанобактерії (від грец. «Ціанос» – синій). Їх скам’янілі залишки були знайдені в шарах сланців, що відносяться до цього періоду в історії Землі. Знадобилося ще близько 1,5 млрд років для насичення атмосфери Землі киснем і виникнення аеробних клітин.

Очевидно, що роль рослин і інших фотосинтезуючих організмів у розвитку та підтримці життя на нашій планеті виключно велика: вони перетворюють енергію сонячного світла в енергію хімічних зв’язків органічних сполук, яка далі використовується усіма іншими живими істотами; вони насичують атмосферу Землі киснем, який служить для окислення органічних речовин і вилучення таким способом запасеної в них хімічної енергії аеробними клітинами; нарешті, певні види рослин в симбіозі з азотфиксирующими бактеріями вводять газоподібний азот атмосфери до складу молекул аміаку, його солей та органічних азотовмісних сполук.

Роль зелених рослин у планетарної життя важко переоцінити. Збереження і розширення зеленого покриву Землі має вирішальне значення для всіх живих істот, що населяють нашу планету.

Запасання енергії світла в біологічних «акумуляторах». Потік сонячних променів несе хвилі світла різної довжини. Рослини з допомогою світлових «антен» (це головним чином молекули хлорофілу) поглинають хвилі світла червоною і синьою частин спектра. Хвилі світла зеленої частини спектру хлорофіл пропускає не затримуючи, і тому у рослин зелений колір.

За допомогою енергії світла електрон у складі молекули хлорофілу переноситься на більш високий енергетичний рівень. Далі цей високоенергетичний електрон, як по сходинках, перескакує по ланцюгу переносників електронів, втрачаючи енергію. Енергія електронів при цьому витрачається на «зарядку» свого роду біологічних «акумуляторів». Не заглиблюючись в хімічні особливості їх будови, скажімо, що один з них – аденозинтрифосфорная кислота, яку називають також аденозинтрифосфатом (скорочено – АТФ). Як вже говорилося в § 6, в АТФ містяться пов’язані між собою три залишку фосфорної кислоти, які приєднані до аденозину. Схематично АТФ можна описати формулою: аденозин-Ф-Ф ~ Ф, де Ф – залишок фосфорної кислоти. У хімічній зв’язку між другим і третім кінцевим фосфатом запасається енергія, яку віддає електрон (така особлива хімічний зв’язок зображена хвилястою лінією). Це відбувається в результаті того, що при передачі електроном своєї енергії до аденозиндифосфату (аденозин-Ф-Ф, АДФ) приєднується ще один фосфат: АДФ + Ф + Е ? АТФ, де Е – енергія електрона, яка запасається в АТФ. При розщепленні АТФ ферментом аденозінтріфосфатаза (АТФазой) кінцевий фосфат отщепляется і звільняється енергія:

В рослинній клітині енергія АТФ використовується для транспорту води і солей, для поділу клітин, росту і руху (згадайте, як повертається слідом за Сонцем головка соняшнику).

Енергія АТФ необхідна для синтезу в рослинах молекул глюкози, крохмалю, целюлози та інших органічних сполук. Однак для синтезу в рослинах органічних речовин необхідний ще один біологічний «акумулятор», запасающий енергію світла. Цей акумулятор має труднопроизносимое довгу назву: нікотин-амідаденіндінуклеотідфосфат (скорочено – НАДФ, вимовляється як «над-еф»). Це з’єднання існує у відновленій високоенергетичної формі: НАДФ-Н (вимовляється як «над-еф-аш»).

Втратила енергію окислена форма цього з’єднання являє собою НАДФ + (вимовляється як «над-еф-плюс»). Втрачаючи один атом водню і один електрон, НАДФ-Н перетворюється на НАДФ + і відновлює вуглекислий газ (за участю молекул води) до глюкози С6Н1206; відсутні протони (Н +) беруться з водного середовища. У спрощеній формі цей процес можна записати у вигляді хімічного рівняння:

Однак при змішуванні вуглекислого газу і води глюкоза не утворюється. Для цього потрібна не тільки відновлює сила НАДФ-Н, але й енергія АТФ і з’єднання, що зв’язує С02, яке використовується на проміжних етапах синтезу глюкози, а також ряд ферментів – біологічних каталізаторів цього процесу.

Фотоліз води. Яким чином в ході фотосинтезу утворюється кисень? Справа в тому, що енергія світла витрачається також на розщеплення молекули води – фотоліз. При цьому утворюються протони (Н +), електрони (О і вільний кисень:

Електрони, що утворюються при фотолізі, заповнюють втрати їх хлорофілом (як кажуть, заповнюють «дірку», що виникла в хлорофілу). Частина електронів за участю протонів відновлює НАДФ + до НАДФ-Н. Кисень – побічний продукт цієї реакції (рис. 19). Як видно з сумарного рівняння синтезу глюкози, при цьому виділяється кисень.

Коли рослини використовують енергію сонячного світла, кисень їм не потрібен. Однак у відсутність сонячного освітлення рослини стають аеробами. У нічній темряві вони споживають кисень і окислюють запасені днем глюкозу, фруктозу, крохмаль та інші сполуки, уподібнюючись в цьому тваринам.

Світлова та темновая фази фотосинтезу. У процесі фотосинтезу розрізняють світлову та темновую фази. При висвітленні рослин енергія світла перетворюється на енергію хімічних зв’язків АТФ і НАДФ-Н. Енергія цих сполук легко звільняється і використовується всередині клітини рослини для різних цілей, в першу чергу для синтезу глюкози та інших органічних сполук. Тому таку початкову стадію фотосинтезу називають світловий фазою. Без освітлення сонячним або штучним світлом, в спектрі якого є червоні і сині промені, синтез АТФ і НАДФ-Н в клітці рослини не відбувається. Однак, коли в рослинній клітині вже накопичилися молекули АТФ і НАДФ-Н, синтез глюкози може відбуватися і в темряві, без участі світла. Для цих біохімічних реакцій освітлення не потрібно, оскільки вони вже забезпечені енергією світла, запасеної в біологічних «акумуляторах». Цю стадію фотосинтезу називають темпової фазою.

Всі реакції фотосинтезу відбуваються в хлоропластах – стовщених овальних або круглих утвореннях, розташованих в цитоплазмі рослинної клітини (коротко про хлоропластах уже говорилося в § 9). У кожній клітині знаходиться 40-50 хлоропластів. Хлоропласти обмежені зовні подвійною мембраною, а всередині їх розміщуються тонкі плоскі мішечки – тилакоїди, також обмежені мембранами. У тилакоїди знаходяться хлорофіл, переносники електронів і все ферменти, що у світловий фазі фотосинтезу, а також АДФ, АТФ, НАДФ + і НАДФ-Н. Десятки тилакоидов щільно укладені в стопки, які називають гранами. У внутрішньому просторі між гранами – в стромі хлоропластів – розміщуються ферменти, що беруть участь у відновленні С02 до глюкози за рахунок енергії продуктів світлової фази фотосинтезу – АТФ і НАДФ-Н. Отже, в стромі відбуваються реакції темнової фази фотосинтезу, тісно пов’язані зі світловою фазою, яка розгортається в тилакоїдів. Світлова та темновая фази фотосинтезу схематично зображені на малюнку 19.

Хлоропласти мають свій власний генетичний апарат – молекули ДНК і автономно відтворюються всередині клітин. Вважають, що понад 1,5 млрд років тому вони були вільними мікроорганізмами, які стали симбионтами клітин рослин.

Посилання на основну публікацію