Дайте определение понятию «фотосинтез». Опишите световую и темновую фазу фотосинтеза. Объясните биологическое значение фотосинтеза

Фотосинтез является сложным многоступенчатым процессом, часть реакций которого происходит на свету, а часть – в его отсутствии. Следовательно,выделяют две фазы фотосинтеза световую и темновую.

Световая фаза.

Её смысл – превратить световую энергию солнца в химическую энергию молекул АТФ и других молекул, богатых энергией. Эти реакции протекают непрерывно, но их легче изучать, разделив на три стадии:

Световая фаза.

1. Свет, попадая на молекулу хлорофилла, приводит её в возбужденное состояние в результате этого молекула теряет электрон, электроны захватываются белками-переносчиками, встроенными, наряду с хлорофиллом, в мембраны тилакоида и выносятся на сторону мембраны, обращённую в строму, где накапливаясь, создают отрицательно заряженное электрическое поле.

2. Так как молекула хлорофилла отдала электрон ей нужно его восполнить, потерянный е молекула восполняет в результате фотолиза воды-разложения молекулы воды под действием света.

Н₂О + Q_света → Н⁺ + ОН^—.

Ионы гидроксила отдают свои электроны, превращаясь в реакционноспособные радикалы •ОН:

ОН— → •ОН + е—.

Радикалы •ОН объединяются, образуя воду и свободный кислород:

4НО• → 2Н2О + О2.Кислород при этом удаляется во внешнюю среду, а протоны накапливаются внутри тилакоида в «протонном резервуаре».

3.В результате мембрана тилакоида с одной стороны за счет Н⁺ заряжается положительно, с другой за счет электронов — отрицательно. Когда разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны тилакоида достигает 200 мВ, открывается пора в ферменте встроенном в мембрану тилакоида(фермент называется АТФ-синтетаза). Протоны устремляются по протонному каналу в ферменте наружу- в строму. На выходе из протонного канала создается высокий уровень энергии который идёт на синтез АТФ (АДФ+ Фн= АТФ). Синтез АТФ за счёт энергии световых квантов называется фотофосфорилированием. Протоны Н вышедшие на поверхность мембраны тилакоида, соединяются с е, образуя атомарный водород Н. В строме всегда есть вещество, являющееся переносчиком водорода, по своей природе оно является динуклеотидом и называется сокращённо НАДФ+ – окисленная форма (никотин–амид–аденин–динуклеотид–фосфат). Это соединение захватывает Н и восстанавливается, превращается в НАДФ·H2.

2Н⁺ + 2е^— + НАДФ → НАДФ·Н₂.

Таким образом, в световую фазу происходит фотолиз воды, который сопровождается тремя важнейшими процессами: 1) синтезом АТФ; 2) образованием НАДФ·Н₂; 3) образованием кислорода. Кислород диффундирует в атмосферу, АТФ и НАДФ·Н₂ транспортируются в строму хлоропласта и участвуют в процессах темновой фазы.

Темновая фаза

Эта фаза проходит в строме хлоропласта, куда поступает CO₂ из воздуха, а также продукты световой фазы АТФ и НАДФ·H₂. Здесь эти соединения используются в серии реакций, “фиксирующих” CO₂ в форме углеводов. Проследим по схеме:

1.CO₂ присоединяется к пятиуглеродному сахару (рибулёзодифосфату), который есть в строме. СО2+С5= С6

2. Образующаяся при этом шестиуглеродная молекула нестабильна и сразу расщепляется на две трёхуглеродные молекулы, каждая из которых присоединяет фосфатную группу от АТФ.

С6__ С3+ С3

С3+ РО4

3. Обогащённая энергией молекула становится способной присоединить водород от переносчика НАДФ·H₂.

С3+ РО4+ Н2

На пятом этапе судьба трёхуглеродных молекул может быть различной: одни из них соединяются друг с другом и образуют шестиуглеродные молекулы,

С6 Н12 О6= С3+ С3

например, глюкозы, а те дальше объединяются в сахарозу, крахмал, целлюлозу и другие вещества.

Другие трёхуглеродные молекулы используются для синтеза аминокислот, присоединяя азотсодержащие группы. Наконец, третьи вовлекаются в длинный ряд реакций, основной результат которых сводится к превращению пяти трёхуглеродных молекул в три пятиуглеродные молекулы рибулёзодифосфата.

5 С3в 3 С5, вновь включается в цикл фиксации СО2

Он снова присоединяет углекислый газ, увеличивая общее количество фиксированного углерода в растении. Иными словами, процесс представляет собой цикл Кальвина (Нобелевская премия 1961 г).

Для создания одной молекулы глюкозы цикл должен повториться шесть раз: при этом всякий раз к запасу фиксированного углерода в растении прибавляется по одному атому углерода из CO₂. АДФ, Ф_н и НАДФ⁺ из цикла Кальвина возвращаются на поверхность мембран и снова превращаются в АТФ и НАДФ·H₂.Суммарное уравнение:

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂.