ФІЗІОЛОГІЯ ТА БІОХІМІЯ РОСЛИН
Опорний конспект лекцій
5. ФОТОСИНТЕЗ
Фотосинтез - процес синтезу органічних сполук із неорганічних (вуглекислого газу та води) з використанням енергії світла й за участю фотосинтетичних пігментів (хлорофілу, бактеріохлорофілу, бактеріородопсину), часто з виділенням кисню як побічного продукту.
Фотосинтез — єдиний процес на Землі, який веде до збільшення вільної енергії біосфери за рахунок зовнішнього джерела - Сонця і забезпечує існування як рослин, так і всіх гетеротрофних організмів, у тому числі й людини.
Фотосинтез — це процес трансформації поглинутої організмом енергії (Е) світла в хімічну Е органічних (і неорганічних) сполук.
Провідну роль у цих перетвореннях відіграє відновлення СО2 до рівня вуглеводів, при цьому може виділятися кисень. Однак у реакціях фотосинтезу (ф/с) можуть відновлюватися сульфати чи нітрати, утворюватися Н2; енергія (Е) світла може витрачатися на транспорт речовин через мембрану і також на інші процеси. Ф/с відіграє основну роль в енергетиці біосфери.
Історія вивчення фотосинтезу
З давніх-давен люди з подивом спостерігали, як великі рослини можуть виростати на безплідних скелях. Англійський ботанік і хімік С. Гейлс у 1727 році висловив думку про те, що рослини значну частину »їжі» отримують із повітря. При цьому світло, яке вбирається листям, «покращує» цю «їжу».
Подібні думки висловлювали І. Ньютон і М. Ломоносов.
Початком експериментальних робіт у галузі ф/с послужили досліди англійського хіміка Дж. Прістлі з рослинами під скляним ковпаком із свічкою. Так був відкритий кисень (1774 р.). А через рік незалежно від Дж. Прістлі кисень відкрив і назвав французький вчений А. Лавуазьє. Дещо пізніше голландський лікар Я. Інгенхауз виявив, що рослини виділяють кисень лише на світлі, а у темноті - поглинають, як тварини при диханні.
У 1782 р. швейцарський дослідник Ж. Сенеб’є встановив, що на світлі рослини також поглинають СО2. Це підтвердив швейцарський вчений Т. Соссюр, який методом кількісного аналізу довів, що поглинається стільки СО2, скільки виділяється О2. Але наростання сухої маси рослини значно перевищувало кількість поглинутого СО2 і мінеральних речовин. Т. Соссюр дійшов висновку, що органічна маса утворюється ще й за рахунок води. Це підтвердив французький агрохімік Ж. Буссенго (1840).
У 1865 р. німецький фізіолог рослин Ю. Сакс продемонстрував, що на світлі у листках утворюється крохмаль і що він знаходиться у хлоропластах. (дослід-проба Ю. Сакса). Згодом німецький фізіолог Енгельман (1881 р.) довів, що власне хлоропласти виділяють кисень на світлі.
Розмірковуючи над процесами, що відбуваються у живій рослині, Ю.Р. Майєр і Г. Гельмгольц сформулювали закон збереження й перетворення енергії. На основі чисто теоретичних розмірковувань вони стверджували, що зелені рослини поглинають променисту сонячну енергію і перетворюють її у хімічну. Експериментальні підтвердження цієї теорії були отримані видатним фізіологом рослин К.А. Тімірязєвим, який їх виклав у своїй докторській дисертації »Про засвоєння світла рослинами» (1875).
Він встановив: а) що інтенсивність асиміляції СО2 максимальна при освітленні рослини червоним світлом (яке найбільше поглинається хлорофілом); б) що хлорофіл служить оптичним сенсибілізатором (збільшує чутливість до світла) і бере безпосередньо участь у процесі фотосинтезу. К.Т імірязєв сформулював також ідею про космічну роль рослин: фотосинтез — єдиний процес, за допомогою якого космічна сонячна Е вловлюється й залишається на Землі. У хлоропласті промениста Е сонця перетворюється у хімічну Е вуглеводів. Крохмаль, клейковина, клітковина та інші сполуки, консервуючи сонячну Е, служать нам їжею і дають Е для всіх процесів життєдіяльності.
Результати вивчення повітряного живлення рослин за перші 100 років після дослідів Дж. Прістлі виражаються загальним рівнянням фотосинтезу:
6СО2 + 6Н2О + світло (hv) → С6Н12О6 + 6О2.
Дві фази фотосинтезу
Із наведеного вище рівняння незрозуміло, яке походження кисню — із СО2 чи Н2О? Спочатку вважали, що при ф/с відбувається фоторозклад СО2. При цьому утворюється формальдегід та монооксид вуглецю:
Однак ці речовини токсичні для рослин.
Російський біохімік О.М. Бах і голландський мікробіолог Б. ван Ніль припустили, що первинна фотохімічна реакція ф/с полягає у дисоціації води. Ця ідея була згодом підтверджена дослідами англійського фізіолога Р. Хіла. У 1937 році він з’ясував, що ізольовані хлоропласти під дією світла розкладають воду і виділяють кисень при наявності акцепторів е- (бензохінона) — реакція Хіла. Процес розкладу води здійснюється в три етапи:
Прямі експериментальні підтвердження того, що О2 при ф/с звільнюється власне з води, були отримані в 40-х роках окремо американськими й радянськими вченими. Поступово прийшли до розуміння того, що загальне рівняння фотосинтезу охоплює дві групи реакцій: одна пов'язана з фотодисоціацією води, виділенням О2, та транспортуванням електронів, це - світлова фаза ф/с; а друга - із використанням СО2 для синтезу глюкози і може відбуватися без світла, це - темнова фаза ф/с.
Експериментальним підтвердженням реального існування цих двох фаз ф/с стали досліди з мигаючим світлом. Вони показали, що максимальна інтенсивність ф/с спостерігається не при безперервному, а при імпульсивному освітленні.
Далі було з’ясовано, що величина температурного коефіцієнта Q10 для першої групи реакцій ≈ 1, бо фотохімічна реакція не залежить від t°; а для темнової фази ф/с Q10 при температурах 15 °С і 25 °С дорівнює 2,0-2,5, як і для хімічних чи ензиматичних процесів. Отже, інтенсивність ф/с лімітується швидкістю його хімічних (темнових) реакцій.
У 50-х роках американський фізіолог Д.І. Арнон дослідним шляхом відкрив явище фотофосфорилювання, довів, що НАДФН і АТФ - кінцеві продукти світлової фази ф/с і, нарешті, встановив, що світлова фаза проходить у тилакоїдах хлоропласта, а темнова - у його стромі.
Таким чином, весь процес ф/с поділяється на темнову та світлову фази:
- світлова фаза полягає у поглинанні променистої Е пігментами хлоропластів та її перетворенні в хімічну енергію АТФ та НАДФН, одночасно проходить фотоліз води з виділенням О2; все це відбувається у мембранах хлоропластів (у мембранах тилакоїдів).
- темнова фаза полягає у фіксації СО2 та її відновленні до вуглеводів. При цьому витрачається енергія АТФ. Цей процес залежить від температури, не потребує світла, проходить у стромі хлоропластів.