Фотосинтез

Задачи темы:1) изучить  общее уравнение процесса фотосинтеза, историю открытия и изучения фотосинтеза;

 

2) изучить основные пигменты  листа (хлорофиллы, каротиноиды), их  химическую структуру, химические  свойства, их роль в процессе  фотосинтеза, этапы биосинтеза  хлорофилла;

 

3) узнать, что такое флуоресценция, 

 

4) изучить состав и структурную  организацию пигментов в фотосистемах;

 

5) изучить световую и  темновую стадии фотосинтеза,  особенности циклического и нециклического  фотофосфорилирования

 

6) изучить хемиосмотическую  теорию Митчелла, объясняющую процесс  разделения зарядов и образования  АТФ;

 

7) изучить химизм цикла  Кальвина, цикла Хэтча – Слэка,  дать краткую характеристику  фаз циклов: карбоксилирование, восстановление, регенерация;

 

8) изучить особенности  протекания процесса фотодыхания,  хемосинтеза.

 

Основные понятия и  термины темы: пигменты, хлорофилл, фотосистема I, фотосистема II, реакционные  центры, электрон – транспортная цепь, циклическое и нециклическое  фотофосфорилирование, АТФ, НАДФ, световая стадия (Z – схема) фотосинтеза, темновая фаза фотосинтеза, цикл Кальвина, цикл Хэтча – Слэка, С3 растения, С4 растения, кранц – анатомия листа, хемиосмотическая теория Митчелла, хемосинтез, фотодыхание, эффект Варбурга.

 

 

 

 

 

Анализ органического  вещества показывает, что оно состоит  на 45% из углерода. Именно поэтому вопрос об источнике питания организмов углеродом чрезвычайно важен. Все  организмы можно разделить на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные организмы характеризуются способностью синтезировать органическое вещество из неорганических соединений. Гетеротрофные организмы строят органическое вещество своего тела из уже имеющихся готовых органических соединений, только перестраивая их. Иначе говоря, гетеротрофные организмы живут за счет автотрофных. Для того чтобы осуществить синтез органического вещества, необходима энергия. В зависимости от используемого соединения, а также от источников энергии различают следующие основные типы питания углеродом и построения органических веществ (табл. 1).

 

Таблица 1

Тип питания 

Источник углерода 

Источник водорода 

Источник энергии

 

I. Гетеротрофный 

Органическое вещество 

Органическое вещество 

Органическое вещество

 

II.                Автотрофный

 

1.     Фотосинтез

 

2.     Бактериальный  фотосинтез

 

3.     Хемосинтез 

 

 

СО2

 

СО2

 

 

 

СО2

 

  

 

 

Н2О

 

Н2S, Н2 и др.

 

 

 

Н2О, NH3, Н2S, Н2 

 

 

Энергия квантов света

 

 

 

Энергия химических реакций

 

 

 

 

5.1. ЗНАЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ФОТОСИНТЕЗА

И ИСТОРИЯ ЕГО ИЗУЧЕНИЯ

 

Из всех перечисленных  типов питания углеродом фотосинтез

зеленых растений, при котором  построение органических соединений идет за счет простых неорганических веществ (СО2 и Н2О) с использованием энергии  солнечного света, занимает совершенно особое место. Общее уравнение фотосинтеза:

 

     свет

6 С02 + 12 Н20    ------ »      С6Н1206 + 6 02 + 6 Н2О

 

                                                                          хлорофилл   

 

Фотосинтез — это процесс, при котором энергия солнечного света превращается в химическую энергию. В самом общем виде это  можно представить следующим  образом: квант света (hν) поглощается  хлорофиллом, молекула которого переходит  в возбужденное состояние, при этом электрон переходит на более высокий  энергетический уровень. В клетках  зеленых растений в процессе эволюции выработался механизм, при котором  энергия электрона, возвращающегося  на основной энергетический уровень, превращается в химическую энергию. Только с помощью  зеленых растений энергия Солнца может накапливаться в виде энергии  химических связей. Большая часть  той энергии, которая используется человеком на заводах и фабриках, т. е. энергия, благодаря которой  происходит движение различных механизмов, машин и самолетов,— это все  энергия Солнца, преобразованная  в зеленом листе. В процессе фотосинтеза  из простых неорганических соединений (СО2, Н2О) строятся различные органические вещества. В результате происходит перестройка химических связей: вместо связей С—О и Н—О возникают  связи С—С и С—Н, в которых  электроны занимают более высокий  энергетический уровень. Таким образом, богатые энергией органические вещества, которыми питаются и за счет которых  получают энергию (в процессе дыхания) животные и человек, первоначально  создаются в зеленом листе. Исследования показали также, что почти весь кислород атмосферы фотосинтетического происхождения. Следовательно, процессы дыхания и  горения стали возможны только после  того, как возник фотосинтез. Все  это и позволяет говорить о  космическом значении фотосинтеза. Фотосинтез имеет важнейшее значение и в жизни самого

растительного организма. Согласно расчетам А. А. Ничипоровича,

в период наиболее активного  роста растений суточные приросты сухого вещества достигают 300 и даже 500 кг/га. При этом в течение суток растение усваивает 1—2 кг N, 0,1—0,2 кг Р, 0,8—1,7 кг К  и до 1000 кг СО2. Чтобы лучше представить  себе масштабы процесса фотосинтеза, приведем несколько цифр. Согласно данным французского исследователя Дювиньо (1972), ежегодно в процессе фотосинтеза растениями суши образуется 30 млрд. т органического  вещества, в том числе на долю лесов приходится 20,4 млрд. т, лугов, степей — 3 млрд. т, пустынь— 1,1 млрд. т, культурных полей — 5,6 млрд. т. Если учесть продукцию органического  вещества растений планктона, цифры  значительно возрастут и достигнут  величины примерно 61 млрд. т в год. Энергия, накапливаемая в процессе фотосинтеза за один год, приблизительно в 100 раз больше энергии сгорания всего добываемого в мире за этот же период угля. Казалось бы, что при таком колоссальном годовом потреблении углерода весь СО2 воздуха должен быть израсходован в течение немногих лет. Однако содержание СО2 в атмосфере непрерывно пополняется за счет растворенных в воде карбонатов и бикарбонатов. Кроме того, углекислый газ выделяется из почвы в результате различных микробиологических процессов, связанных с окислением органических веществ (до 25—30 кг СО2 на 1 га в сутки) и др. Учитывая значение процесса фотосинтеза, раскрытие его механизма является одной из наиболее важных и интересных задач, стоящих перед физиологией растений.

 

Датой открытия процесса фотосинтеза  можно считать 1771 г. Английский ученый Д. Пристли обратил внимание на изменение  состава воздуха вследствие жизнедеятельности  животных. В присутствии зеленых  растений воздух вновь становился пригодным  как для дыхания, так и для  горения. В дальнейшем работами ряда ученых (Ингенгауз, Сенебье, Соссюр, Буссенго) было установлено, что зеленые растения из воздуха поглощают СО2, из которого при участии воды на свету образуется органическое вещество. Именно этот процесс  в 1877 г. немецкий ученый Пфеффер назвал фотосинтезом. Большое значение для  раскрытия сущности фотосинтеза  имел закон сохранения энергии, сформулированный Р. Майером.

 

В 1845 г. Р. Майер выдвинул предположение, что энергия, используемая растениями,—  это энергия Солнца, которую растения в процессе фотосинтеза превращают в химическую энергию. Это положение  было развито и экспериментально подтверждено в исследованиях замечательного русского ученого К. А. Тимирязева.

 

5.2. ЛИСТ КАК ОРГАН ФОТОСИНТЕЗА.  ОСОБЕННОСТИ ДИФФУЗИИ СО2 В ЛИСТЕ

 

Анатомическое строение листа  приспособлено к тому, чтобы обеспечить поступление СО2 к клеткам, содержащим зеленые пластиды, и достигнуть максимального  поглощения энергии света. Листья в  большинстве случаев тонкие и  обладают максимальной поверхностью на единицу массы. Наличие межклетников облегчает доступ СО2 ко всем клеткам. К эпидермису, расположенному на верхней  стороне листа, примыкает палисадная паренхима, клетки которой вытянуты перпендикулярно поверхности листа. Палисадная паренхима — это основная ассимиляционная ткань листа, особенно богатая хлоропластами. Густая сеть жилок в листе не только облегчает  снабжение клеток паренхимы водой, но и способствует быстрому оттоку из листа углеводов, образующихся в  процессе фотосинтеза.

 

Для того чтобы  процесс  фотосинтеза протекал нормально, в  клетки к зеленым пластидам должен непрерывно поступать СО2. Основным поставщиком СО2 служит атмосфера. Количество СО2 в атмосфере составляет около 0,03%. В течение дня растения усваивают  количество СО2, содержащееся в 30—60-метровом слое воздуха. Для образования 1 г  сахара необходимо 1,47 г СО2, содержащегося  в 2500 л воздуха. Это возможно благодаря  непрерывному турбулентному движению воздушных масс вокруг листьев, вызываемому неравномерным нагреванием их солнечными лучами и ветром. СО2, потребляемый при фотосинтезе, возвращается в атмосферу за счет процессов дыхания и гниения. Особенное значение имеет при этом деятельность почвенных микроорганизмов. Определенное количество СО2 выделяется при разложении карбонатов, растворенных в морской воде. В результате поглощения листом СО2 возникает градиент концентрации этого газа, что и вызывает непрерывную диффузию СО2 в направлении фотосинтезирующих органов растения. Диффузия возникает вследствие хаотического теплового движения молекул и представляет спонтанный процесс, приводящий к перемещению вещества от его большей концентрации к меньшей. Согласно закону Фика скорость диффузии прямо пропорциональна разности концентраций и обратно пропорциональна сопротивлению. СО2   диффундирует из более дальних слоев атмосферы в близлежащие к листу и далее в межклетные пространства, из межклетников в клетки и далее к хлоропластам. Чем быстрее используется СО2 в процессе фотосинтеза, тем больше падает ее парциальное давление в межклетниках и тем быстрее поступает в них СО2. Всякое перемешивание среды (воздуха или воды) способствует более быстрой диффузии СО2 к листу. В процессе диффузии ток СО2 встречает сопротивление. Оно особенно велико при диффузии СО2 к листьям водных растений. Исследования показали, что в воде сопротивление диффузионному току СО2 примерно в 1000 раз больше, чем в воздухе. Кроме внешнего сопротивления, которое встречает СО2 при диффузии до поверхности листа, существует еще внутреннее сопротивление (в самом листе).

 

СО2 поступает в лист растения через устьица. Некоторое количество СО2 поступает непосредственно через  кутикулу. В последнем случае диффузия СО2 происходит в виде Н2СОз через  клетки эпидермиса к хлоропластам клеток паренхимы листа. При прохождении  через устьичные щели СО2 может  диффундировать в виде газа к любой  части листа по межклеточным пространствам. Расстояние, которое должны преодолеть молекулы СО2 по системе межклетников до клетки, составляет около 1000 мкм. Время  прохождения этого расстояния — 10—16 микросекунд. В этом случае водный диффузионный путь минимальный —  лишь внутри клетки, а следовательно, сопротивление будет меньшим. Несмотря на то, что при полностью открытых устьицах площадь устьичных щелей  составляет всего 1/100 поверхности листа, диффузия СО2 внутрь листа идет через  них сравнительно быстро. Опытным  путем установлено, что свободная  поверхность щелочи площадью 1 см2 поглощает  за 1 ч 0,12—0,15 см3 СО2; 1 см2 поверхности  листа поглощает всего в два  раза меньше — 0,07 см3 СО2, между тем  его открытая площадь меньше в 100 раз. Такая высокая скорость связана  с тем, что диффузия газов через  мелкие отверстия идет пропорционально  не их площади, а их диаметру. Естественно, что это положение правильно  лишь при условии, что устьица  открыты. При закрытых устьицах диффузия СО2 в лист резко сокращается. При  ветре внешнее сопротивление  падает. Основное значение приобретает  сопротивление, которое встречает  СО2 при диффузии через устьица, поэтому  их закрытие оказывает еще большее  относительное влияние и еще  сильнее снижает диффузию СО2.

 

Закрытие устьиц сильнее  уменьшает потерю паров воды из листа (транспирацию) по сравнению с диффузией  СО2 внутрь листа. Это связано с  тем, что скорость диффузии паров  воды в первую очередь зависит  от размера устьичных щелей, тогда  как для диффузии СО2 большее значение имеет интенсивность его использования  в процессе фотосинтеза. Это представляет значительное приспособление для выживания  растений в крайних условиях существования (засухи). Так, уменьшение диаметра устьиц с 10 до 3 мкм уменьшает транспирацию на 38%, тогда как поглощение СО2 — всего на 29%.

 

5.3. ХЛОРОПЛАСТЫ, ИХ СТРОЕНИЕ  И ОБРАЗОВАНИЕ

 

Весь процесс фотосинтеза  протекает в зеленых пластидах -хлоропластах. Различают три вида пластид: лейкопласты — бесцветные, хромопласты — оранжевые, хлоропласты - зеленые. Именно в хлоропластах сосредоточен зеленый пигмент хлорофилл.

 

Незеленые организмы, например грибы, лишены пластид. Эти растения не обладают способностью к фотосинтезу. В процессе эволюции дифференциация пластид произошла очень рано. Правда, у фотосинтезирующих бактерий пластид еще нет, их роль выполняют  внутрицитоплазматические мембраны (пурпурные  бактерии) или особые структуры —  хлоросомы, локализованные на мембранах (зеленые бактерии). Это наиболее примитивная организация фотосинтетического аппарата. Однако уже у водорослей имеются специальные образования (хроматофоры), в которых сосредоточены  пигменты, они разнообразны по форме (спиральные, ленточные, в виде пластинок  или звезд). Высшие растения характеризуются  вполне сформировавшимся типом пластид  в форме диска или двояковыпуклой линзы. Приняв форму диска, хлоропласты  становятся универсальным аппаратом  фотосинтеза.

 

5.3.1. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ  И СТРОЕНИЕ ХЛОРОПЛАСТОВ

 

Размер хлоропластов колеблется от 4 до 10 мкм. Число хлоропластов обычно составляет от 20 до 100 на клетку. Химический состав хлоропластов достаточно сложен и может быть охарактеризован  следующими средними данными (% на сухую  массу): белок — 35—55; липиды — 20—30; углеводы — 10; РНК —2—3; ДНК —  до 0,5; хлорофилл — 9; каротиноиды  — 4,5.

 

Важно отметить, что многие белки хлоропластов обладают ферментативной активностью. Действительно, в хлоропластах сосредоточены все ферменты, принимающие  участие в процессе фотосинтеза (окислительно-восстановительные, синтетазы, гидролазы).

 

В настоящее время доказано, что в хлоропластах, так же как  и

в митохондриях, имеется своя белоксинтезирующая система. Многие из ферментов, локализованных в хлоропластах, являются двухкомпонентными. Во многих случаях простетическая группа ферментов  — это различные витамины. В  хлоропластах сосредоточены многие витамины и их производные (витамины группы В, К, Е, D). В хлоропластах находится 80% Fe, 70% Zn, около 50% Си от всего количества этих элементов в листе.

 

Внутреннее строение хлоропластов, их ультраструктура была раскрыта после  того, как появился электронный микроскоп. Оказалось, что хлоропласта окружены двойной оболочкой (мембраной). Толщина  каждой оболочки 7,5—10 нм, расстояние между  ними 10—30  нм. Внутреннее  пространство  хлоропластов  заполнено бесцветным содержимым — стромой и пронизано  мембранами (ламеллами). Ламеллы, соединенные  друг с другом, образуют как бы пузырьки — тилакоиды (греч. «тилакоидес» —  мешковидный). В хлоропластах тилакоиды  двух типов. Короткие тилакоиды собраны  в пачки и расположены друг над другом, напоминая стопку монет. Эти стопки называются гранами, а  составляющие их ламеллы — ламеллами  гран. Между гранами параллельно  друг другу располагаются длинные  тилакоиды. Составляющие их ламеллы  получили название — ламеллы стромы. Между отдельными  тилакоидами  в стопках гран имеются узкие  щели. Относительно связи между ламеллами  гран и ламеллами стромы имеются  разные точки зрения. Т. Вейер предложил  гранулярно-решетчатую модель, согласно которой внутренние пространства всех тилакоидов соединены между собой (рис.1, 2). Таким образом, в хлоропластах имеется как бы два раздельных пространства — внутреннее (внутри тилакоидов) и внешнее (вне тилакоидов). У большинства водорослей гран нет, а ламеллы собраны в группы (пачки) по 2—8 штук. Не во всех случаях  и у высших растений хлоропласты  имеют гранальную структуру. Так, в  листьях кукурузы имеются два  вида хлоропластов. В клетках мезофилла  содержатся мелкие хлоропласты гранального  строения. В клетках обкладки, окружающих листовые сосудистые пучки, хлоропласты  крупные и гран не содержат.