Питание организмов как условие для существования

Имеются различные виды хлорофилла, из которых наиболее важны хлорофиллы А и Б. Хлорофилл Б содержит на 1 атом кислорода больше и на 2 атома водорода меньше, чем хлорофилл А. Хлорофилл А найден у всех зеленых растений, тогда как хлорофилл Б отсутствует у многих водорослей и некоторых других растений. Помимо хлорофилла, растения содержат много других пигментов, придающих им различную окраску. Некоторые из этих пигментов способны поглощать и переносить на хлорофилл солнечную энергию, вовлекая ее тем самым в фотосинтез. У большинства растений найден темно-оранжевый пигмент — каротин, который в животном организме может превращаться в витамин А, и желтый пигмент — ксантофилл. Красные и сине-зеленые водоросли содержат другие пигменты — фикоцианин и фикоэритрин, которые у красных водорослей более активны в процессе фотосинтеза, чем имеющиеся у них хлорофиллы.

Максимальная интенсивность  солнечного света, достигающего земной поверхности, приходится на сине-зеленую  и зеленую области спектра (от 450 до 550 нм). Однако именно в этой области поглощение света молекулой хлорофилла минимально. Максимумы поглощения, выраженные довольно резко, соответствуют длине волны 680 нм в красной области спектра и 440 нм в фиолетовой области.

Несмотря на относительно слабое поглощение солнечных лучей с  наибольшей энергией, хлорофилл обладает рядом свойств, которые позволяют  понять, почему именно этот пигмент  подвергся отбору в процессе эволюции. Кроме того, и другие пигменты, например каротиноиды, которые поглощают более интенсивно в сине-зеленой или зеленой области, могут переносить поглощенную энергию на хлорофилл, где она используется в процессе фотосинтеза.

Хлорофилл обладает рядом свойств, особенно благоприятных для участия  в процессе фотосинтеза: он может  поглощать солнечную энергию, запасать ее или передавать другим молекулам; в его молекуле имеются химически  активные участки (кольцо из 5 углеродных атомов, примыкающее к 4 кольцам, содержащим по 1 атому азота и по 4 атома  углерода), которые могут участвовать  в переносе атомов водорода.

4. Ассимиляция углекислоты

Ход реакций включения углекислоты  в органические вещества в настоящее  время детально изучен исследователями, инкубировавшими суспензии водорослей в присутствии углекислоты, меченной С14. Меняя время инкубации и идентифицируя выделенные продукты, они смогли установить, какие вещества первыми получают С14. Темновые реакции синтеза углеводов протекают в определенной циклической последовательности: 1) карбоксилирование, 2) восстановление и 3) регенерация (рис. 2).

Рисунок 2 –  Схема темновой фазы фотосинтеза

 Рибулозо-5-фосфат (сахар,  содержащий 5 атомов углерода, с фосфатным  остатком у углерода в положении  5) подвергается фосфорилированию за счет ТФ, что приводит к образованию рибулозодифосфата. Это последнее вещество карбоксилируется за счет присоединения СO₂, по-видимому, до промежуточного шестиуглеродного продукта, который, однако, немедленно расщепляется с присоединением молекулы воды, образуя две молекулы фосфоглицериновой кислоты. Затем фосфоглицериновая кислота восстанавливается в ходе ферментативной реакции, для осуществления которой необходимо присутствие АТФ и восстановление трифосфопиридиннуклеотида, с образованием фосфоглицеринового альдегида (трехуглеродный сахар — триоза). В результате конденсации двух таких триоз образуется молекула гексозы, которая может включаться в молекулу крахмала и таким образом «откладываться про запас». Для завершения этой фазы цикла в процессе фотосинтеза поглощаются 2 молекулы СO₂ и используются 3 молекулы АТФ и 4 атома Н (присоединенных к 2 молекулам ТПН-Н). Из гексозофосфата путем определенных реакций пентозофосфатного цикла регенерирует рибулозофосфат, который снова может присоединить к себе другую молекулу углекислоты. Ни одну из описанных реакций — карбоксилирования, восстановления или регенерации — нельзя считать специфичной только для фотосинтезирующей клетки. Единственная обнаруженная до сих пор особенность заключается в том, что для реакции восстановления, в течение которой фосфоглицериновая кислота превращается в фосфоглицериновый альдегид, необходим ТПН-Н, а не ДПН-Н, как обычно.

5. Световые реакции

Необходимая для осуществления  темновых реакций энергия, заключенная в молекулах АТФ и ТПН-Н, добывается во время световых реакций. Прежде считали, что световая реакция в хлоропластах происходит за счет ТПН-Н, который затем используется митохондриями растительной клетки для синтеза АТФ. Однако клетки листьев — наиболее приспособленных для фотосинтеза органов растения — содержат очень мало митохондрий. В связи с этим Арнон и его сотрудники показали, что изолированные хлоропласты, свободные от митохондрий, могут осуществлять процесс фотосинтеза и должны, следовательно, обладать способностью синтезировать как АТФ, так и ТПН-Н.

Работая с изолированными хлоропластами, Арнон продемонстрировал возможность полного разграничения световых и темновых реакций. Сначала он освещал хлоропласты в отсутствие СO₂, но при наличии АДФ или ТПН. В этих условиях хлоропласты накапливали АТФ и ТПН-Н и выделяли молекулярный кислород.

Затем он экстрагировал ферменты, необходимые для темновых реакций ассимиляции углекислоты, отбрасывал зеленую часть хлоропластов и, используя АТФ и ТПН-Н, предварительно синтезированные на свету, наблюдал ассимиляцию СO₂ в темноте, т. е. накопление в системе углеводов, которые можно было выделить и идентифицировать. В других экспериментах к этим ферментам добавляли ТПН-Н и АТФ из животных клеток, и полученные системы также были способны ассимилировать СO₂ в темноте.

В опытах Арнона изолированные хлоропласты, подвергнутые действию света в отсутствие СO₂ и пиридиннуклеотида, но в присутствии больших количеств АДФ и неорганического фосфата, обладали способностью использовать световую энергию для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Этот процесс был назван фотосинтетическим фосфорилированием в отличие от окислительного фосфорилирования, осуществляемого митохондриями.

Оказалось, что для фотосинтетического фосфорилирования необходимы в качестве кофакторов витамин К и флавинмононуклеотид (ФМН), обычно содержащиеся в зеленых листьях. Было показано, что витамин К локализован в хлоропластах. При паличии достаточного количества витамина К и ФМН фотосинтетическое фосфорилирование, т. е. синтез АТФ, происходит в отсутствие кислорода. Тот же процесс был обнаружен в хлоропластах различных зеленых растений и в хлорофиллсодержащих хроматофорах некоторых видов фотосинтезирующих бактерий.

При окислительном фосфорилировании энергия, необходимая для присоединения неорганического фосфата Фн к АДФ, получается путем переноса электрона от донатора электронов, находящегося на одном энергетическом уровне, к акцептору электронов, находящемуся на другом энергетическом уровне. Это происходит в три этапа, причем в течение каждого этапа образуется богатая энергией фосфатная связь, которая присоединяется к АДФ с образованием АТФ. Переход электронов (на некоторых этапах электрон присоединяется к протону с образованием атома водорода) от одного энергетического уровня к другому сопровождается освобождением энергии. Каждый из этих этапов можно сравнить с водяным колесом, вращающимся благодаря «падению» электрона и пускающим в ход процесс присоединения неорганического фосфата к АДФ, для которого необходима энергия. В сущности этот процесс состоит в переносе энергии, обычно при переходе электронов от одного энергетического уровня к другому происходит улавливание энергии в форме богатой энергией фосфатной группы. Однако имеется возможность разобщить процесс фосфорилирования и процесс переноса электронов. При окислительном фосфорилировании первичным акцептором электронов служит кислород, а донатором электронов — сахар или другое органическое вещество.

Поскольку при фотофосфорилировании используется только свет, а кислород и молекулы какого бы то ни было субстрата отсутствуют, донаторы и акцепторы электронов должны находиться в самих хлоропластах. Арнон предположил, что обе эти функции может осуществлять молекула хлорофилла. Свет, попадая на молекулу хлорофилла, переводит один из электронов в возбужденное состояние, повышая его энергию настолько, что он испускается молекулой (рис. 3).

Рисунок 3 –  Световая фаза фотосинтеза

Молекула хлорофилла, потерявшая один электрон, может служить акцептором электронов (хлорофилл+). Если такая молекула непосредственно получит обратно тот же электрон, то произойдет выделение световой энергии в виде флуоресценции (с этим связана флуоресценция чистого хлорофилла). Если же освободившийся электрон присоединится к молекуле витамина К или ФМН, то он может затем вернуться к хлорофиллу через ряд последовательных этапов, несколько напоминающих этапы окислительного фосфорилирования.

Электроны переходят от витамина К или ФМН к цитохрому и затем к хлорофиллу; при этом в результате переноса энергии при участии фосфорилирующей ферментной системы образуются две макроэргические фосфатные связи Р. Для этого фотосинтетического процесса специфичны только вызванное светом освобождение богатого энергией электрона и природа первичного акцептора электронов — хлорофилла. Процесс фотосинтетического фосфорилирования — первичная реакция фотосинтеза, ответственная за образование по крайней мере части АТФ, необходимого для темновой реакции ассимиляции СO₂, но не ТПН-Н, также необходимого для темновой реакции.

Образование ТПН-Н связано  с довольно сходной системой переноса электронов, но в этом случае система  не является циклической, а электроны  поставляются водой в результате поглощения световой энергии до уровня, достаточного для образования восстановленного пиридиннуклеотида. В процессе участвуют также цитохромы хлоропластов растений. Он был назван нециклическим фотофосфорилированием, поскольку он также приводит к образованию АТФ. Некоторая часть молекул воды диссоциирует на ионы Н+ и ОН^–. Электроны переносятся с ионов ОН^– на цитохромы, в результате чего образуются радикалы (ОН), которые в ходе дальнейших реакций формируют молекулы воды и газообразного кислорода.

Этот аспект теории соответствует  результатам опытов с меченными О18 водой и СO₂. Согласно этим результатам весь газообразный кислород, выделяющийся при фотосинтезе, происходит из воды, а не из СO₂. Электроны переходят от цитохромов на молекулы хлорофилла, которые ранее под влиянием света выделили по одному электрону и превратились таким образом в акцепторы электронов. При таком переносе электронов, как и при циклическом фотофосфорилировании, освобождающаяся энергия используется фосфорилирующей ферментной системой для образования АТФ. Поглощение фотонов хлорофиллом приводит затем к повышению энергии электрона до уровня, достаточного для захвата одного протона (Н+) и восстановления ТПН+ до ТПН-Н. У некоторых фотосинтезирующих бактерий, например у пурпурной серобактерии Chromatium, в ходе аналогичных реакций активирование хлорофилла под влиянием света приводит к повышению энергетического уровня электронов. Такие электроны могут затем восстанавливать либо пиридиннуклеотиды (как у зеленых растений), либо молекулярный азот до аммиака, либо протоны до молекулярного водорода.

Возможно, что циклическое  фотофосфорилирование — наиболее примитивный процесс, возникший раньше других, когда земная атмосфера не содержала кислорода или была им бедна. Он просто давал возможность примитивным организмам синтезировать АТФ в анаэробных условиях неферментативным путем. Следующей ступенью в ходе эволюции было, по-видимому, нециклическое фотофосфорилирование такого типа, как у некоторых ныне живущих бактерий; у этих бактерий происходит восстановление пиридиннуклеотидов (которые тем самым становятся пригодными для реакций биосинтеза), но донаторами электронов служат молекулы тиосульфата или янтарной кислоты. Третья ступень, достигнутая зелеными водорослями,— это способность использовать в качестве донаторов электронов при фотофосфорилировании молекулы воды вместо тиосульфата или янтарной кислоты. Выработав систему, позволяющую получать необходимые для процессов восстановления электроны из молекул воды, зеленые растения получили возможность жить почти повсюду, а не только в тех местах, где имеются источники специальных донаторов электронов, например тиосульфат.

По мере расселения и размножения  растений они выделяли в атмосферу  молекулы кислорода, которые прежде были недоступны, так как были связаны  в воде, и обеспечили тем самым  возможность дальнейшей биохимической  эволюции животных и других организмов, которым необходим молекулярный кислород.

Общая эффективность процесса фотосинтеза довольно высока. Можно  подсчитать, что для химического  восстановления 1 моль СO₂ до уровня углевода понадобилось бы около 120 ккал. Энергия наиболее эффективного в процессе фотосинтеза красного света с длиной волны около 680 нм составляет 41—42 ккал на 1 моль.

Если бы эффективность  процесса была равна 100%, то для восстановления каждой молекулы СO₂ было бы достаточно 3 квантов энергии.

На основании определений, производившихся в самых различных  условиях, были получены величины от 4 до 12 квантов (по новейшим подсчетам  в среднем 5 или 6) на 1 молекулу СO₂. 

Заключение

Уникальность и общебиологическое  значение фотосинтеза определяются тем, что ему обязано своим  существованием все живое на нашей  планете. Этот процесс является основным источником образования первичных  органических веществ, а также единственным источником свободного кислорода на Земле. Из кислорода образовался  и поддерживается озоновый слой, защищающий живые организмы от воздействия  коротковолновой ультрафиолетовой радиации. Кроме того, благодаря  фотосинтезу регулируется содержание СО₂ в атмосфере.

В изучение процесса фотосинтеза, раскрытие его механизма большой  вклад внесли русский ученый К. А. Тимирязев, американский М. Кальвин, австралийские  М. Д. Хетч и К. Р. Слэк, а также белорусские ученые академики Т. Н. Годнее и А. А. Шлык.