Световая и темновая фазы фотосинтеза

Растения поставляют нам кислород и органические вещества, и всё это благодаря процессу фотосинтеза. Лист является важнейшим органом растения, в котором из неорганических веществ образуются органические. Вспомним, что способность к фотосинтезу характерна только для зелёных растений, фотосинтезирующих бактерий и цианобактерий. Грибы, большая часть бактерий и животные не способны осуществлять фотосинтез, так как в их клетках нет хлоропластов.

Процесс фотосинтеза представляет собой цепь окислительно-восстановительных реакций, где происходит восстановление углекислого газа до органических веществ. Всю совокупность фотосинтетических реакций делят на две фазы – световую и темновую. Световая фаза осуществляется на мембранах тилакоидов и только при наличии света. Реакции темновой фазы протекают в строме хлоропластов и не требуют света, однако для их прохождения необходимы продукты световой фазы. Поэтому темновая фаза идёт практически со световой.

Для световой фазы характерно то, что энергия солнечного света, поглощённая хлорофиллами, преобразуется сначала в электрохимическую, а затем в энергию макроэргических связей АТФ (это ковалентные связи, которые гидролизуются с выделением большого количества энергии).

Световая фаза фотосинтеза разделяется на фотофизическую и фотохимическую фазы. В фотофизической происходит поглощение квантов света молекулами хлорофиллов. В фотохимической фазе обе фотосистемы работают согласованно.

Рассмотрим подробно процессы, которые протекают в световой фазе.

1. Пигменты фотосистемы I и фотосистемы II поглощают свет разной длины волны. Полученная энергия передаётся в реакционные центры на молекулы хлорофиллов (молекулы-ловушки). Важнейшими из хлорофиллов реакционного центра являются хлорофиллы П₇₀₀ в фотосистеме I и П₆₈₀ в фотосистеме II. Они поглощают свет с длиной волны 700 и 680 нм соответственно. Молекулы хлорофиллов переходят в возбуждённое состояние и отдают электроны переносчикам.

Электрон из фотосистемы I транспортируется переносчиками на внешнюю сторону тилакоида. При этом молекула П₇₀₀ окислятся и превращается в П₇₀₀⁺.

В фотосистеме II возбуждённая молекула П₆₈₀ отдаёт электрон акцептору, который из фотосистемы II с помощью переносчиков доставляется в фотосистему I, каждый раз теряя часть энергии. Он восстанавливает молекулу-ловушку в реакционном центре. При этом молекула возбуждённая молекула П₇₀₀ возвращается в исходное состояние и становится вновь способной поглощать свет и переходить в возбуждённое состояние. А молекула П₆₈₀, отдав электрон, превращается в П₆₈₀⁺.

Получается, что фотосистема I восстанавливается за счёт электронов из фотосистемы II, которая, в свою очередь, получает электроны за счёт фотолиза воды:

2Н₂О → О₂ + 4е^- + 4Н⁺

Фотолиз воды осуществляется благодаря наличию в фотосистеме II ферментного комплекса, который расщепляет молекулы воды с образованием кислорода, электронов и протонов водорода. Протоны водорода накапливаются внутри тилакоида. Кислород, который образуется при фотолизе воды, выделяется из хлоропласта в цитоплазму клетки, а затем через устьица в окружающую среду.

2. Таким образом, по разные стороны мембраны накапливаются протоны и электроны, которые, соответственно, имеют положительный и отрицательный заряды. Это ведёт к возникновению электро-химического потенциала на мембране тилакоида. В мембране тилакоида также содержится фермент АТФ-синтетаза. Когда концентрация протонов достигает определённого уровня (200 мВ), они устремляются в строму хлоропласта, проходя через специальные каналы АТФ-синтетазы, то есть начинает работать протонная помпа. При этом АТФ-синтетаза использует энергию движения протонов для синтеза АТФ. На выходе из протонного канала создаётся высокий уровень энергии, которая используется для фосфорилирования молекул АДФ, имеющихся в матриксе хлоропластов.

3. На внешней стороне тилакоида происходит восстановление НАДФ окисленного за счёт присоединения к нему электронов и протонов. НАДФ – никотинамидадениндинуклеотидфосфат – это переносчик водорода в процессе фотосинтеза.

НАДФ⁺ + 2е^- + 2Н⁺ → НАДФН + Н⁺

Таким образом, в ходе световой фазы энергия света поглощается и преобразуется в энергию макроэргических связей АТФ, происходит расщепление воды с выделением кислорода и накопление атомов водорода (в форме НАДФ восстановленного).

Продуктами световой фазы фотосинтеза являются АТФ, восстановленный НАДФ и кислород. Кислород – побочный продукт фотосинтеза, он выделяется в окружающую среду. Весь кислород воздуха на нашей планете был образован в результате фотосинтетической деятельности зелёных растений.

Далее начинается темновая фаза фотосинтеза, которая протекает в строме хлоропласта. Поскольку для прохождения реакций данной фазы не нужен свет, её назвали темновой. В ней используются продукты световой фазы, а именно АТФ и НАДФ восстановленный, поэтому реакции темновой фазы происходят почти одновременно с реакциями световой фазы.

 Из окружающей среды через устьица в хлоропласты поступает углекислый газ, и происходит его восстановление до органических веществ, в химических связях которых запасена энергия, первоначально полученная при возбуждении электрона хлорофилла квантом света.

Углекислый газ способен реагировать с пятиуглеродным соединением – рибулёзо-1,5-бифосфатом, которое образуется в строме в результате фосфорилирования с помощью АТФ молекул рибулозо-5-фосфата. Фермент присоединяет углекислый газ к рибулёзо-1,5-бифосфату, и полученный в результате этого шестиуглеродный промежуточный продукт быстро распадается на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты. Затем происходит цикл реакций, который называется циклом Кальвина (или С₃-путь). Через ряд промежуточных продуктов фосфоглицериновая кислота преобразуется в глюкозу.

Восстановление углекислого газа – это сложный многоступенчатый процесс, который можно выразить общим уравнением:

6СО₂ + 12НАДФН+Н⁺ + 18АТФ → С₆Н₁₂О₆ + 12НАДФ⁺ + 18АДФ + 18Н₃РО₄

Из записанного уравнения видно, что для синтеза одной молекулы глюкозы необходимо окислить 12 молекул НАДФ восстановленного, которые служат источником атомов водорода, и 18 молекул АТФ, которые служат источником энергии для синтеза глюкозы. Таким образом, в темновой фазе фотосинтеза энергия макроэргических связей АТФ преобразуется в энергию химических связей органических веществ.

Если объединить процессы, протекающие в обеих фазах, исключив промежуточные стадии и вещества, можно получить суммарное уравнение процесса фотосинтеза:

6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Фотосинтез происходит только на свету. Проведём опыт, который это доказывает.

Возьмём две ёмкости и опустим в них растения. Наполним ёмкости углекислым газом и плотно закроем, чтобы не проникал воздух. Первую ёмкость выставим на яркий свет, вторую оставим в темноте. Через сутки откроем ёмкости, опустим в них горящие лучинки. В первой – лучинка не гаснет, а продолжа­ет ярко гореть. Значит, в этой ёмкости появился кислород, поддерживающий горение. Зелёные листья растения поглотили значительную часть углекислого газа и выделили неко­торое количество кислорода. Опущенная во вторую ёмкость горящая лучинка потух­нет. Следовательно, зелёные растения выделяют кисло­род только на свету.

На скорость фотосинтеза оказывают влияние различные факторы окружающей среды: интенсивность падающего света, наличие влаги и минеральных веществ, температура окружающей среды и концентрация углекислого газа.

Проведём несложный опыт. Возьмём два одинаковых комнатных растения. Одно из них поставим туда, где оно будет освещаться ярким солнечным светом. Второе растение поставим в тёмное место, куда солнечный свет вообще не проникает. Через неделю срежем с каждого растения по одному листу. Опустим листья сначала в кипящую воду, а затем на несколько минут в горячий спирт, пока листья не обесцветятся. Промоем обесцвеченные листья, расправим их и обработаем слабым раствором йода. Известно, что от йода синеет крахмал. Тот лист, который был на свету, посинел. Второй же лист, на который не попадал солнечный свет, остался бесцветным. Опыт показывает, что только в том листе, который был освещён солнцем, образовался крахмал.

На самом деле первоначально под действием света в листьях образуется глюкоза. Но она быстро превращается в крахмал, который накапливается в листьях. В темноте крахмал вновь превращается в глюкозу, которая по проводящим тканям оттекает от листьев к другим органам растений.

Уникальность и биологическое значение фотосинтеза определяются тем, что жизнь на нашей планете всем своим существованием обязана этому процессу. Фотосинтез является основным источником питательных веществ для живых организмов, а также единственным поставщиком свободного кислорода на Земле. Из кислорода сформировался и поддерживается озоновый слой (часть стратосферы на высоте от 20 до 25 километров, с наибольшим содержанием озона). Озоновый слой защищает живые организмы от губительного воздействия ультрафиолетового излучения. Кроме того, благодаря фотосинтезу поддерживается относительно постоянное содержание углекислого газа в атмосфере.