Фотосинтез – біологія

Автотрофні організми. На відміну від людини і тварин всі зелені рослини і частина бактерій здатні синтезувати органічні сполуки з неорганічних. Такий тип обміну речовин називається автотрофним (<грец. Autos сам + trophe їжа). Залежно від виду енергії, використовуваної автотрофами для синтезу, їх ділять на дві групи. Фото-автотрофи використовують енергію сонячного світла, а хемоавто-трофі – хімічну енергію, вивільняється при окисленні ними різних неорганічних сполук.

Зелені рослини є фотоавтотрофамі. Їх хлоро-пласти містять хлорофіл, що дозволяє здійснювати фотосинтез (<грец. Photos світло + synthesis з’єднання) – перетворення енергії сонячного світла в енергію хімічних зв’язків синтезованих органічних сполук. Молекули хлорофілу поглинають червону і синю частину спектру сонячного випромінювання, а зелена складова досягає сітківки наших очей. Тому більшість рослин бачимо зеленими. що при змішуванні вуглекислого газу і води глюкоза не утворюється. Фотосинтез – складний багатоступінчастий процес, для проходження якого необхідні сонячне світло, хлорофіл, ряд ферментів, енергія АТФ і молекули-переносники. Виділяють дві фази фотосинтезу – світлову та темновую. Фотони, що надходять від сонця передають свою енергію молекулі хлорофілу і переводять молекулу в збуджений стан: її електрони, отримуючи додаткову енергію, переходять на більш високі орбіти. Відрив таких електронів відбувається значно легше. Молекули-переносники захоплюють їх і по ланцюгу реакцій переміщують на іншу сторону мембрани тилакоида. Молекулярний кисень дифундує крізь мембрани тилакоїдів і виділяється в атмосферу. Протони нездатні до проникнення через мембрану і тому залишаються всередині.

В результаті зовні мембрани накопичуються електрони, доставлені молекулами-переносниками з збуджених молекул хлорофілу, а всередині – протони, що утворилися в результаті фотолізу; ще частина протонів доставляється переносниками з строми за рахунок енергії збуджених електронів. На мембрані накопичується різниця потенціалів.

В мембрани тилакоїдів хлоропласта, так само як і у внутрішні мембрани мітохондрій, вмонтовані молекули ферменту АТФ-синтази, що здійснюють синтез АТФ. Аналогічним чином в молекулярній структурі АТФ-синтази є канал, через який можуть проходити протони. При досягненні на мембрані критичної різниці потенціалів протони, їх вабить силою електричного поля, просуваються по каналу АТФ-синтази, витрачаючи енергію на синтез АТФ.

Електрони від порушеної хлорофілу передаються по ланцюгу переносників на кофермент НАДФ (НАД з фосфатом) і відновлюють його до НАДФН («НАДФ-аш»), донором протонів служить вода.

Таким чином, під час світлової фази фотосинтезу відбуваються наступні ключові процеси: виділення в атмосферу вільного кисню, синтез АТФ і відновлення НАДФ до НАДФН. Протікання подальших реакцій може відбуватися і в темряві (за рахунок запасу енергії АТФ і НАДФН), тому носить назву темнової фази.

Для утворення однієї молекули глюкози потрібно 18 АТФ (віддають енергію і переходять у АДФ) і 12 НАДФН (віддають протони й електрони, які відновлюють СО2 і переходять у НАДФ). Реакції темнової фази носять назву циклу Кальвіна. Для отримання однієї молекули глюкози необхідно 0 оборотів циклу, після кожного обороту всі ферменти і молекули-переносники повертаються в початковий стан.

Крім глюкози з глицеральдегид-3-фосфату можуть синтезуватися жирні кислоти, амінокислоти та ін. Вуглеводи і жирні кислоти далі транспортуються в лейкопласти, де з них формуються запасні поживні речовини – крохмаль і жири.

З настанням темряви рослини продовжують процес фотосинтезу, використовуючи запасені на світлі з’єднання. Коли цей запас вичерпується, припиняється і фотосинтез. У темний час доби рослини нагадують за типом обміну речовин тварин: вони поглинають кисень з атмосфери (дихають) і окислюють при його допомозі запасені вдень поживні речовини. На дихання рослини використовують в 20-30 разів менше кисню, ніж виділяють в атмосферу в процесі фотосинтезу.

Щорічно рослинність планети дає 200 млрд т кисню і 150 млрд т органічних сполук, необхідних людині і тваринам. Енергія хімічних зв’язків цих сполук (за рахунок якої і живуть тварини) значно перевищує кількість тепла, що виділяється при спалюванні всім населенням планети горючих корисних копалин.

Хемосинтез. Більшість бактерій позбавлені хлорофілу. Деякі з них є хемоавтотрофи: для синтезу органічних речовин вони використовують не енергію світла, а енергію, вивільняється при окисленні неорганічних сполук. Такий спосіб отримання енергії і синтезу органічних речовин назвали хемосинтезом (<грец. Chemia хімія). Явище хемосинтезу відкрито в 1887 р російським мікробіологом С. Н. Виноградским.

Нитрифицирующие бактерії окислюють аміак, що утворюється при гнитті органічних залишків у ґрунті або у водоймах, до азотистої кислоти і далі – азотисту до азотної.

Водневі бактерії окислюють молекули водню (до Н2О), що утворюються в грунті в результаті гліколізу органічних залишків іншими мікроорганізмами.

Железобактерии використовують енергію, вивільняється при окисленні двовалентного заліза до тривалентного (за-кісним солі до окисних).

Серобактерии мешкають, як правило, в болотах і «харчуються» сірководнем. Окислюючи сірководень, вони отримують необхідну для життєдіяльності енергію. В результаті накопичується сірка, при її окислюванні до сірчаної кислоти вивільняється ще частину енергії. Величезна кількість серобактерий мешкає в Чорному морі, води якого із стометрової глибини насичені сірководнем.

Гетеротрофний тип обміну речовин. Людина і тварини не здатні синтезувати необхідні для життєдіяльності органічні речовини з неорганічних і змушені отримувати їх з їжею. Такі організми називають гетеротрофами (<грец. Heteros інший). До гетеротрофам відносяться також гриби і більшість бактерій. Органічні речовини розкладаються гетеротрофами на прості вуглеводи, амінокислоти, нуклео-тіди, з яких далі синтезуються необхідні макромолекули. Частина речовин розщеплюється до кінцевих бідних енергією молекул (СО2, Н2О), а вивільняється енергія використовується для життєдіяльності. Деяка кількість енергії розсіюється у вигляді тепла, що підтримує температуру тіла.

У ряду фотосинтезирующих бактерій, одноклітинних водоростей (золотистих, дінофітових, евглен) міксотрофное (<грец. Mixis змішання) харчування. На світлі вони фотосинтезируют, а в темряві переходять до харчування органічними речовинами.

Посилання на основну публікацію