Struktura klorofila vrlo je dobro prilagođena da služi kao posrednik u fotokemijskim procesima tijekom fotosinteze. Klorofil je dobar senzibilizator- lako se pobuđuje apsorpcijom svjetlosti i ima sposobnost prijenosa energije (služi kao donor energije) drugim molekulama (akceptorima energije).

U porfirinskoj jezgri izmjenjuju se molekule klorofila. Ovaj sustav od 18 konjugiranih dvostrukih veza služi kao glavni kromofor i odgovoran je za selektivnu apsorpciju svjetlosne energije.

Životno vrijeme pobuđenog stanja molekula klorofila može biti 10 -8 s. Najstabilnija stanja atoma su ona u kojima valentni elektroni zauzimaju najniže energetske razine i raspoređeni su po njima prema Paulijevom principu, tj. ukupni spin svih elektrona atoma je 0. Ovo stanje se naziva osnovno stanje singlet(S= 0).

Ako je broj elektrona u atomu paran, ali su spinovi dva elektrona paralelni, tada je ukupni spin 1 ( S= 1), takvo se stanje naziva trojka. Igra glavnu ulogu u svjetlosnim reakcijama fotosinteze. singletno pobuđeno stanje.

Ako, nakon apsorpcije kvanta svjetlosti, spinovi elektrona ostanu antiparalelni, molekula klorofila prelazi u singletno pobuđeno stanje ( S 1 ili S 2). Singletno uzbuđeno stanje S 2 je vrlo nestabilan, elektron brzo (unutar 10 -12 s) gubi dio energije u obliku topline i prelazi na nižu razinu ( S 1), gdje može ostati 10 -9 - 10 -8 s. Povratak molekule klorofila u prvobitno stanje može se dogoditi na više načina.

Prvo, predajući dio energije u obliku topline i emitirajući kvant svjetlosti, molekula može prijeći u osnovno stanje ( S 0). Ova pojava se zove fluorescencija. Valna duljina fluorescencije duža je od odgovarajuće valne duljine apsorpcije.

Drugo, u jednom pobuđenom stanju S 1 može doći do promjene predznaka spina elektrona i molekula klorofila postaje metastabilna trostruko stanje(T), koji ima puno duži životni vijek - oko 10 -5 - 10 -3 s. Prema Paulijevom principu, ne mogu postojati dva elektrona s istim spinovima na istoj energetskoj razini. Ovo sprječava pobuđeni elektron u tripletnom stanju da zauzme elektronsku "rupu" na razini osnovne energije ( S 0) dok se predznak vrtnje ne promijeni.

Iz tripletnog stanja, molekula se može vratiti u osnovno energetsko stanje, emitirajući svjetlosni kvant dužih valnih duljina nego tijekom fluorescencije. Ovaj sjaj se zove fosforescencija.

Treći, Energija singletnog pobuđenog stanja molekule klorofila može se tijekom fotosinteze iskoristiti u fotokemijskim reakcijama i transformirati u energiju kemijskih veza organskih spojeva.

Izuzetno zanimljiv i još ne sasvim shvaćen proces proizvodnje energije zelenim biljkama danas izgleda ovako. Kvant svjetlosti, apsorbiran od strane molekule klorofila, prenosi energiju svojim elektronima, koji se pomiču na pobuđene razine. Odatle putuju kroz druge molekule povezane s klorofilom u jedan lanac stvaranja energije. Da nema takvog "zajedničkog društva", tada bi elektroni podignuti na visoke energetske razine jednostavno pali na svoja prethodna mjesta, a apsorbirana energija bi se raspršila. Drugim riječima, molekula bi emitirala kvantu energije bez obavljanja ikakvog kemijskog rada. Ono što bi se dogodilo otprilike je isto što se događa kada čelična kugla odskoči. Pada, ne radeći gotovo nikakav posao, osim što je možda prevladao trenje zraka i udario o tlo. Druga bi stvar bila kada bi kuglica skočivši uvis, na primjer, zatvorila strujni krug i time zasvijetlila žarulja. I tu bi se izgubilo nešto energije, ali bi se obavio koristan rad, iako bi se lopta na kraju vratila u prvobitno stanje.

Nešto slično događa se s pobuđenim elektronima molekule klorofila. Nakon što su potrošili višak energije koju im daje kvantum svjetlosti, vraćaju se na svoje prethodne razine. Kome pobuđeni elektroni predaju svoju energiju? Naši dobri prijatelji - citokromi, koji proizvode glavnu energetsku valutu tijela - ATP. Imajte na umu da se fotosintetski relej prijenosa kvantne energije svjetlosti odvija s vrlo visokom učinkovitošću, približno 97%, a cijeli proces fotosinteze obavlja koristan rad u nešto manje od 30%.

Nismo uzalud naveli ove brojke. Proizvodnja ATP-a u stanici je nevjerojatno savršena. Po jedinici mase; živo biće proizvodi mnogo više energije od Sunca. Zanimljivo je da osoba teška 70 kg dnevno proizvodi do 75 kg ATP-a, odnosno više od vlastite težine! Ista količina ATP-a koju industrija proizvodi za tehničke potrebe košta ne manje od 150 tisuća dolara.

Proizvodnja energije je, da tako kažemo, jedan od aspekata aktivnosti klorofila koji ne nadilazi tijelo. Druga strana je impresivnija, karakterizirana početnim i završnim produktima fotosinteze. Kao rezultat tog procesa iz ugljičnog dioksida i vode pod utjecajem svjetlosti nastaju organski spojevi i kisik. Zahvaljujući klorofilu godišnje se na Zemlji asimilira 200 milijardi tona ugljičnog dioksida, pri čemu nastaje 100 milijardi tona organskih tvari i oko 145 milijardi tona slobodnog kisika.

Danas je općeprihvaćeno da je zahvaljujući fotosintezi prvih zelenih organizama koji su se pojavili prije oko tri milijarde godina nastala moderna atmosfera i stvoreni uvjeti za formiranje biosfere (o tome smo već govorili gore). Ovo su čuda koja magnezij čini u porfirinskom prstenu

- sinteza organskih tvari iz ugljičnog dioksida i vode uz obvezno korištenje svjetlosne energije:

6CO 2 + 6H 2 O + Q svjetlo → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

Kod viših biljaka organ fotosinteze je list, organele fotosinteze su kloroplasti (struktura kloroplasta je predavanje br.7). Membrane kloroplastnih tilakoida sadrže fotosintetske pigmente: klorofile i karotenoide. Postoji nekoliko različitih vrsta klorofila ( a, b, c, d), glavni je klorofil a. U molekuli klorofila može se razlikovati porfirinska "glava" s atomom magnezija u središtu i fitolni "rep". Porfirinska "glava" je ravna struktura, hidrofilna je i stoga leži na površini membrane koja je okrenuta prema vodenom okolišu strome. Fitolni “rep” je hidrofoban i zbog toga zadržava molekulu klorofila u membrani.

Klorofili apsorbiraju crvenu i plavoljubičastu svjetlost, reflektiraju zelenu svjetlost i stoga biljkama daju karakterističnu zelenu boju. Molekule klorofila u tilakoidnim membranama organizirane su u fotosustavi. Biljke i modrozelene alge imaju fotosustav-1 i fotosustav-2, dok fotosintetske bakterije imaju fotosustav-1. Samo fotosustav-2 može razgraditi vodu kako bi oslobodio kisik i uzeo elektrone iz vodika vode.

Fotosinteza je složen proces u više koraka; reakcije fotosinteze dijele se u dvije skupine: reakcije svjetlosna faza i reakcije tamna faza.

Lagana faza

Ova faza se događa samo uz prisutnost svjetla u tilakoidnim membranama uz sudjelovanje klorofila, proteina za prijenos elektrona i enzima ATP sintetaze. Pod utjecajem kvanta svjetlosti, elektroni klorofila se pobuđuju, napuštaju molekulu i ulaze u vanjsku stranu tilakoidne membrane, koja u konačnici postaje negativno nabijena. Oksidirane molekule klorofila se reduciraju, uzimajući elektrone iz vode koja se nalazi u intratilakoidnom prostoru. To dovodi do razgradnje ili fotolize vode:

H 2 O + Q svjetlo → H + + OH - .

Hidroksilni ioni odustaju od svojih elektrona, postajući reaktivni radikali.OH:

OH - → .OH + e - .

OH radikali spajaju se u vodu i slobodni kisik:

4BR. → 2H 2 O + O 2.

U ovom slučaju, kisik se uklanja u vanjsko okruženje, a protoni se nakupljaju unutar tilakoida u "spremniku protona". Kao rezultat toga, tilakoidna membrana, s jedne strane, nabijena je pozitivno zbog H +, a s druge strane, zbog elektrona, nabijena je negativno. Kada razlika potencijala između vanjske i unutarnje strane tilakoidne membrane dosegne 200 mV, protoni se guraju kroz kanale ATP sintetaze i ADP se fosforilira u ATP; Atomski vodik koristi se za obnavljanje specifičnog nosača NADP + (nikotinamid adenin dinukleotid fosfat) u NADPH 2:

2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.

Dakle, u svjetlosnoj fazi dolazi do fotolize vode koju prate tri važna procesa: 1) sinteza ATP-a; 2) stvaranje NADPH 2; 3) stvaranje kisika. Kisik difundira u atmosferu, ATP i NADPH 2 transportiraju se u stromu kloroplasta i sudjeluju u procesima tamne faze.

1 - stroma kloroplasta; 2 - grana tilakoid.

Tamna faza

Ova faza se događa u stromi kloroplasta. Njegove reakcije ne zahtijevaju svjetlosnu energiju, pa se ne odvijaju samo na svjetlu, već iu mraku. Reakcije tamne faze su lanac uzastopnih transformacija ugljičnog dioksida (koji dolazi iz zraka), što dovodi do stvaranja glukoze i drugih organskih tvari.

Prva reakcija u ovom lancu je fiksacija ugljičnog dioksida; Akceptor ugljičnog dioksida je šećer s pet ugljika. ribuloza bifosfat(RiBF); enzim katalizira reakciju Ribuloza bifosfat karboksilaza(RiBP karboksilaza). Kao rezultat karboksilacije ribuloza bisfosfata nastaje nestabilni spoj sa šest ugljikovih atoma koji se odmah raspada u dvije molekule fosfoglicerinska kiselina(FGK). Tada se odvija ciklus reakcija u kojima se fosfoglicerinska kiselina pretvara kroz niz međuprodukata u glukozu. Ove reakcije koriste energiju ATP-a i NADPH 2 nastale u svjetlosnoj fazi; Ciklus ovih reakcija naziva se "Calvinov ciklus":

6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.

Osim glukoze, tijekom fotosinteze nastaju i drugi monomeri složenih organskih spojeva - aminokiseline, glicerol i masne kiseline, nukleotidi. Trenutno postoje dvije vrste fotosinteze: C 3 - i C 4 fotosinteza.

C 3-fotosinteza

Ovo je vrsta fotosinteze u kojoj su prvi proizvod spojevi s tri ugljika (C3). C 3 fotosinteza je otkrivena prije C 4 fotosinteze (M. Calvin). To je C 3 fotosinteza koja je opisana gore, pod naslovom "Tamna faza". Karakteristične značajke fotosinteze C 3: 1) akceptor ugljičnog dioksida je RiBP, 2) reakciju karboksilacije RiBP katalizira RiBP karboksilaza, 3) kao rezultat karboksilacije RiBP nastaje spoj sa šest ugljika, koji se razlaže na dva PGA. FGK se vraća na trioza fosfati(TF). Dio TF-a koristi se za regeneraciju RiBP-a, a dio se pretvara u glukozu.

1 - kloroplast; 2 - peroksisom; 3 - mitohondrije.

Ovo je apsorpcija kisika i oslobađanje ugljičnog dioksida ovisna o svjetlosti. Početkom prošlog stoljeća utvrđeno je da kisik potiskuje fotosintezu. Kako se pokazalo, za RiBP karboksilazu supstrat može biti ne samo ugljični dioksid, već i kisik:

O 2 + RiBP → fosfoglikolat (2C) + PGA (3C).

Enzim se zove RiBP oksigenaza. Kisik je kompetitivni inhibitor fiksacije ugljičnog dioksida. Fosfatna skupina se odvaja i fosfoglikolat postaje glikolat, koji biljka mora iskoristiti. Ulazi u peroksisome, gdje se oksidira u glicin. Glicin ulazi u mitohondrije, gdje se oksidira u serin, uz gubitak već vezanog ugljika u obliku CO2. Kao rezultat, dvije molekule glikolata (2C + 2C) se pretvaraju u jednu PGA (3C) i CO 2. Fotorespiracija dovodi do smanjenja prinosa C3 biljaka za 30-40% ( Sa 3 biljke- biljke karakterizirane C 3 fotosintezom).

C 4 fotosinteza je fotosinteza u kojoj su prvi produkt spojevi s četiri ugljika (C 4). Godine 1965. ustanovljeno je da su kod nekih biljaka (šećerna trska, kukuruz, sirak, proso) prvi produkti fotosinteze četverougljikove kiseline. Te su se biljke zvale Sa 4 biljke. Godine 1966. australski znanstvenici Hatch i Slack pokazali su da C4 biljke praktički nemaju fotorespiraciju i puno učinkovitije apsorbiraju ugljični dioksid. Put transformacije ugljika u C 4 biljkama počeo se nazivati od Hatch-Slacka.

C 4 biljke karakterizira posebna anatomska građa lista. Svi vaskularni snopovi okruženi su dvostrukim slojem stanica: vanjski sloj su stanice mezofila, unutarnji sloj su stanice ovojnice. Ugljični dioksid je fiksiran u citoplazmi mezofilnih stanica, akceptor je fosfoenolpiruvat(PEP, 3C), kao rezultat karboksilacije PEP-a nastaje oksaloacetat (4C). Proces je kataliziran PEP karboksilaza. Za razliku od RiBP karboksilaze, PEP karboksilaza ima veći afinitet za CO 2 i, što je najvažnije, ne stupa u interakciju s O 2 . Kloroplasti mezofila imaju mnogo zrna u kojima se aktivno odvijaju reakcije svjetlosne faze. Reakcije tamne faze odvijaju se u kloroplastima stanica ovojnice.

Oksaloacetat (4C) se pretvara u malat, koji se transportira kroz plazmodezmate u stanice omotača. Ovdje se dekarboksilira i dehidrogenira da nastane piruvat, CO 2 i NADPH 2 .

Piruvat se vraća u stanice mezofila i regenerira pomoću energije ATP-a u PEP-u. CO 2 se ponovno fiksira RiBP karboksilazom da nastane PGA. Za regeneraciju PEP-a potrebna je energija ATP-a, pa je potrebno gotovo dvostruko više energije nego fotosinteza C 3 .

Značenje fotosinteze

Zahvaljujući fotosintezi, milijarde tona ugljičnog dioksida se apsorbiraju iz atmosfere svake godine i oslobađaju se milijarde tona kisika; fotosinteza je glavni izvor stvaranja organskih tvari. Kisik tvori ozonski omotač koji štiti žive organizme od kratkovalnog ultraljubičastog zračenja.

Tijekom fotosinteze, zeleni list koristi samo oko 1% sunčeve energije koja pada na njega; produktivnost je oko 1 g organske tvari po 1 m2 površine na sat.

Kemosinteza

Sinteza organskih spojeva iz ugljičnog dioksida i vode, koja se provodi ne zbog energije svjetlosti, već zbog energije oksidacije anorganskih tvari, naziva se kemosinteza. Kemosintetski organizmi uključuju neke vrste bakterija.

Nitrifikacijske bakterije amonijak se oksidira u nitratnu, a zatim u dušičnu kiselinu (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

Željezne bakterije pretvaraju fero željezo u oksid željeza (Fe 2+ → Fe 3+).

Sumporne bakterije oksidirati vodikov sulfid u sumpor ili sumpornu kiselinu (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

Kao rezultat oksidacijskih reakcija anorganskih tvari oslobađa se energija koju bakterije pohranjuju u obliku visokoenergetskih ATP veza. ATP se koristi za sintezu organskih tvari, koja se odvija slično reakcijama tamne faze fotosinteze.

Kemosintetske bakterije doprinose nakupljanju minerala u tlu, poboljšavaju plodnost tla, promiču pročišćavanje otpadnih voda itd.