Для жизни растений необходим фотосинтез. Этот процесс протекает в их тканях. Благодаря фотосинтезу органические вещества синтезируются из неорганических. Аналогично любой химической реакции во время фотосинтеза поглощается энергия. Чтобы понять суть этого процесса, нужно изучить хотя бы кратко световую фазу фотосинтеза.
Определение понятия
Фотосинтез является довольно сложным процессом, протекающим в растениях и многих простейших организмах. Местом его прохождения являются хлоропласты — особые клетки. Они состоят из следующих элементов:
- граны (стопки), которые содержат тилакоиды (диски);
- две мембраны;
- между этими основными элементами находится вещество строма.
Существует две фазы фотосинтеза — световая и темновая. Протекающие на первой стадии реакции возможны лишь при наличии освещения. Для светонезависимой стадии свет не имеет значения. Есть несколько важных отличий, которыми характеризуются световая и темновая фазы фотосинтеза.
Таблица описывает их кратко.
| Светозависимая | Светонезависимая | |
| Солнечный свет | Требуется | Не требуется |
| Место прохождения | Мембраны стопок хлоропластов | Строма |
| Начальные продукты | Энергия световых фотонов, H2O, хлорофилл, АДФ | АТФ, НАДФ*H2, CO2 |
| Главные процессы | 1. Происходит возбуждение хлорофилла. 2. Протекает процесс фотолиза воды. 3. Синтезируется АТФ (процесс фосфорилирования). | 1. Связывается CO2. 2. Образуется глюкоза. 3. Расщепляется АТФ. |
| Конечные продукты | Атомы Н (НАДФ*H 2), АТФ, O2 | C6H12O6 — глюкоза |
| Дальнейшее использование синтезированных веществ | 1. АТФ представляет собой мощный энергетический источник для синтеза CO2 во время темновой фазы. 2. H — участвует в синтезе глюкозы в период светонезависимой стадии. 3. O2 — выделение в окружающее пространство. | Из глюкозы синтезируется крахмал. |
Во время светозависимой фазы растение поглощает фотоны света благодаря наличию особых светособирательных комплексов. Без энергии фотонов реакция разложения воды на составляющие элементы (процесс фотолиз) просто невозможна. Конечные продукты световой фазы необходимы для активации темновой.
Энергия света накапливается в форме аденозинтрифосфата — АТФ. Это вещество представляет собой мощный источник энергии, при высвобождении которой оно конвертируется в аденозинфосфат — АДФ.
Выделяемый во время расщепления H2O водород вступает во взаимодействие с никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). Благодаря этому синтезируется новое вещество НАДФН. В последующих процессах оно выступает в роли источника водорода.
Получаемый при распаде жидкости кислород выделяется в окружающую среду. Таким образом, в световую фазу фотосинтеза в клетке протекает фотолиз воды с использованием энергии фотонов света. В результате этого образуются АТФ и НАДФН. Они необходимы растениям для последующего производства органических веществ.
Место протекания
Все эти процессы наблюдаются в пластидах — хлоропластах. Это особые клетки, содержащие пигмент хлорофилл, который и придает им характерный зеленый цвет. В каждой клеточке растения содержится много хлоропластов.
В пластидах каждая часть предназначена для определенных реакций. Хлоропласт обладает сложной структурой, содержащей много тилакоидов. Светозависимая стадия протекает на мембранах дисков, в стопках и во внутритилакоидном пространстве. Это еще одно важное отличие светозависимой фазы фотосинтеза от светонезависимой, протекающей исключительно в строме.
Суть процесса
Реакцию распада воды на составляющие элементы можно охарактеризовать одним уравнением — 2H2 O + Q света → 4H+ 4e— + O2. Кванты света, попадая на молекулы пигмента, возбуждают их. В результате хлорофилл начинает терять свои электроны. Эти элементарные частицы собираются на мембране, с ее внешней стороны, создавая тем самым у нее заряд со знаком «минус».
Для восстановления нейтрального заряда лишившиеся электронов молекулы зеленого пигмента отбирают их у воды, содержащейся во внутреннем пространстве тилакоида. В процессе расщепления H2O выделяются следующие продукты:
- протоны и электроны водорода;
- кислород.
Свободный кислород не принимает участия в последующих реакциях и выделяется в окружающую среду. Протоны водорода накапливаются в особых резервуарах тилакоидов. В результате внутренняя поверхность их мембраны приобретает заряд со знаком «плюс».
По мере наполнения резервуара заряды возрастают. Как только разность потенциалов между ними достигнет 200 мВ или более, активируется химическая реакция создания конечных продуктов. Она возможна благодаря энергии протонов, проникающих через мембрану тилакоида. Элементарные частицы затем взаимодействуют с молекулами НАДФ, что приводит к синтезу НАДФН.
Комплексы для сбора света
Лишь незначительное количество хлорофилла способна потреблять энергию и отдавать электроны. Все они расположены в особых центрах и носят название — молекулы-ловушки. В основном пигмент сосредоточен в светособирающих комплексах, выполняющих роль передатчиков энергии. ее сбором они не занимаются.
Если бы все молекулы пигмента обладали способностью собирать энергию света, то процесс потери электронов протекал бы крайне медленно. Кроме этого система передачи энергии в такой ситуации должна иметь очень сложную систему.
Ученые установили, что в среднем соотношение собирающих и передающих молекул составляет 300 к 1.
Комплексы для сбора энергии света имеют многоуровневую систему. На самом высоком (первом) ярусе наблюдается максимальная концентрация молекул, принимающих свет. Каждая из них пересылает энергию на следующий ярус, где расположено уже меньше молекул. В результате на последнем уровне находится лишь одна ловушка. к ней приходит вся энергия, собранная комплексом.
