Фотосинтез

 

Каротиноиды — это желтые и оранжевые пигменты алифатического строения, производные изопрена. Каротиноиды  содержатся во всех высших растениях  и у многих микроорганизмов. Это  самые распространенные пигменты с  разнообразными функциями. Каротиноиды, содержащие кислород, получили название ксантофиллов. Основными представителями  каротиноидов у высших растений являются два пигмента — β-каротин (оранжевый) C40H56 и ксантофилл (желтый) С40Н56О2. Каротин  состоит из 8 изопреновых остатков (рис. 8). При разрыве углеродной цепочки  пополам и образовании на конце  спиртовой группы каротин превращается в 2 молекулы витамина А. Обращает на себя внимание сходство в структуре фитола — спирта, входящего в состав хлорофилла, и углеродной цепочки, соединяющей  циклогексениловые кольца каротина. Предполагается, что фитол возникает  как продукт гидрирования этой части  молекулы каротиноидов. Поглощение света  каротиноидами, а следовательно, их окраска, а также способность  к окислительно-восстановительным  реакциям обусловлены наличием конъюгированных  двойных связей.

 

β -каротин имеет два  максимума поглощения, соответствующие  длинам волн 482 и 452 нм. Красные лучи, поглощаемые хлорофиллами, каротиноиды  не поглощают. Каротиноиды, в отличие  от хлорофилла, не обладают способностью к флуоресценции. Подобно хлорофиллу каротиноиды в хлоропластах и  хроматофорах находятся в виде нерастворимых  в воде комплексов с белками.

 

Физиологическая роль каротиноидов. Уже тот факт, что каротиноиды  всегда присутствуют в хлоропластах, позволяет считать, что они принимают  участие в процессе фотосинтеза. Однако не отмечено ни одного случая, когда  в отсутствие хлорофилла этот процесс  осуществляется. В настоящее время  установлено, что каротиноиды, поглощая определенные участки солнечного спектра, передают энергию этих лучей на молекулы хлорофилла. Тем самым они способствуют использованию лучей, которые хлорофиллом  не поглощаются.

 

Физиологическая роль каротиноидов не ограничивается их участием в передаче энергии на молекулы хлорофилла. По данным русского исследователя Д. И. Сапожникова, на свету происходит взаимопревращение  ксантофиллов (виолаксантин превращается в зеаксантин), что сопровождается выделением кислорода. Спектр действия этой реакции совпадает со спектром поглощения хлорофилла, что позволило  высказать предположение об ее участии  в процессе разложения воды и выделения  кислорода при фотосинтезе.

 

Имеются данные, что каротиноиды  выполняют защитную функцию, предохраняя  различные органические вещества, в  первую очередь молекулы хлорофилла, от разрушения на свету в процессе фотоокисления. Опыты, проведенные  на мутантах кукурузы и подсолнечника, показали, что они содержат протохлорофиллид (темновой предшественник хлорофилла), который на свету переходит в  хлорофилл а, но разрушается. Последнее  связано с отсутствием способности  исследованных мутантов к образованию  каротиноидов.

 

Ряд исследователей указывают, что каротиноиды играют определенную роль в половом процессе у растений. Известно, что в период цветения высших растений содержание каротиноидов в листьях уменьшается. Одновременно оно заметно растет в пыльниках, а также в лепестках цветков. По мнению П. М. Жуковского, микроспорогенез  тесно связан с метаболизмом каротиноидов. Незрелые пыльцевые зерна имеют  белую окраску, а созревшая пыльца — желто-оранжевую. В половых  клетках водорослей наблюдается  дифференцированное распределение  пигментов. Мужские гаметы имеют  желтую окраску и содержат каротиноиды. Женские гаметы содержат хлорофилл. Высказывается мнение, что именно каротин обусловливает подвижность  сперматозоидов. По данным В. Мевиуса, материнские клетки водоросли хламидомонады  образуют половые клетки (гаметы) первоначально  без жгутиков, в этот период они  еще не могут передвигаться в  воде. Жгутики образуются только после 

 

 

 

 

 

Рис.8. Структура β - каротина

 

 

 

освещения гамет длинноволновыми  лучами, которые улавливаются особым каротиноидом — кроцином.

 

Образование каротиноидов. Синтез каротиноидов не требует света. При  формировании листьев каротиноиды  образуются и накапливаются в  пластидах еще в тот период, когда зачаток листа защищен  в почке от действия света. При  начале освещения образование хлорофилла в этиолированных проростках сопровождается временным падением содержания каротиноидов. Однако затем содержание каротиноидов восстанавливается и даже повышается с увеличением интенсивности  освещения. Установлено, что между  содержанием белка и каротиноидов имеется прямая коррелятивная связь. Потеря белка и каротиноидов в  срезанных листьях идет параллельно.

 

Образование каротиноидов зависит  от источника азотного питания. Более  благоприятные результаты по накоплению каротиноидов получены при выращивании  растений на нитратном фоне по сравнению  с аммиачным. Недостаток серы резко  уменьшает содержание каротиноидов. Большое значение имеет соотношение  Са  в питательной среде.

 

                                                   Mg

 

Относительное увеличение содержания Са приводит к усиленному накоплению каротиноидов по сравнению с хлорофиллом. Противоположное влияние оказывает  увеличение содержания магния.

 

3. ФИКОБИЛИНЫ

 

Фикобилины — красные  и синие пигменты, содержащиеся в  хроматофорах некоторых водорослей. Исследования показали, что багряные, сине-зеленые водоросли наряду с  хлорофиллом а содержат фикобилины. В основе химического строения фикобилинов  лежат четыре пиррольные группировки. В отличие от хлорофилла у фикобилинов  пиррольные группы расположены в виде открытой цепочки (рис. 9). Фикобилины представлены двумя пигментами: фикоцианином (по преимуществу у сине-зеленых водорослей) и фикоэритрином (по преимуществу у красных водорослей). Фикоэритрин — это окисленный фикоцианин. Фикобилины образуют прочные соединения с белками, содержащимися в хроматофорах (фикобилин-протеиды). Связь между фикобилинами и белками разрушается только кислотой. Предполагается, что карбоксильные группы пигмента связываются с аминогруппами белка. Необходимо отметить, что в отличие от хлорофиллов и каротиноидов, расположенных в ламеллах, фикобилины концентрируются либо в строме, либо в особых гранулах, расположенных на поверхности ламелл.

 

Фикобилины поглощают  лучи в зеленой и желтой части  солнечного спектра. Это та часть  спектра, которая находится между  двумя основными линиями поглощения хлорофилла. Фикоэритрин поглощает  лучи с длиной волны 495—565 нм, а фикоцианин - 550—615 нм. Сравнение спектров поглощения фикобилинов со спектром, в котором  проходит фотосинтез у водорослей (спектр действия), показывает, что они очень  близки. Это позволяет считать, что  фикобилины поглощают энергию света  и, подобно каротиноидам, передают ее на молекулу хлорофилла, после чего она используется в процессе фотосинтеза.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.9. Хромофорная группа фикоэритринов (фикоэритробилин)

 

 

 

 

 

Наличие фикобилинов у  водорослей является примером приспособления в процессе эволюции к поглощению участков солнечного спектра, которые  проникают сквозь толщу морской  воды (филогенетическая хроматическая  адаптация). Как известно, красные  лучи, соответствующие основной линии  поглощения хлорофилла, поглощаются, проходя  через толщу воды. Наиболее глубоко  проникают зеленые лучи, которые  поглощаются не хлорофиллом, а фикобилинами. Наличие фикобилинов позволяет  водорослям в процессе фотосинтеза  использовать те лучи, которые к  ним проникают.

 

ЭНЕРГЕТИКА ФОТОСИНТЕЗА

 

Важнейшей особенностью процесса фотосинтеза является то, что он протекает с использованием энергии  солнечного света.

 

Лучистая энергия —  это энергия электромагнитных колебаний, которая характеризуется определенной длиной волны, частотой колебания и  скоростью распространения. Эти  величины связаны между собой  следующим образом: λ=—с, где К  — длина волны, с — скорость света,

 

                                         ν

 

величина постоянная, равная 3 . 1010 см/с, v — частота колебаний. Длина волны измеряется в нанометрах, а частота колебаний— в герцах1. Собственно свет, или область электромагнитных колебаний, воспринимаемая человеческим глазом, лежит в пределах длины  волн от 400 до 700 нм. Более короткие волны  характерны для ультрафиолетовых лучей, а более длинные — для инфракрасных. Известно, что при пропускании  луча света через призму он разлагается  на отдельные участки, имеющие различную  окраску (спектр). В пределах видимого света в зависимости от длины  волны окраска лучей различна. Обладая волновыми характеристиками, свет проявляет и корпускулярные свойства.

 

______________

 

1 Длина волны – расстояние  между двумя последовательными  пиками одного цикла

 

Лучистая энергия излучается и распространяется в виде отдельных  дискретных единиц — квантов или  фотонов. Квант света обладает энергией, которая прямо пропорциональна  частоте колебаний и обратно  пропорциональна длине волны E = hv= , где h — постоянная Планка.

 

Из этой формулы ясно видно, что величина энергии квантов  для разных участков спектра будет  различна: чем короче длина волны, тем больше энергия кванта. Энергия  квантов разных областей спектра  может быть вычислена в электронвольтах  или в килоджоулях на моль. 1 моль квантов, или 1 Эйнштейн, соответствует  числу

квантов, равному 6,0231023 (число  Авогадро). Соответствующие

 расчеты приведены  в таблице 1.

 

Таблица 1

Цвет

 

  

Длина волны, нм

 

  

Частота, Гц

 

  

Энергия, кДж на 1 моль квантов

 

Ультрафиолетовый

 

Фиолетовый

 

Синий

 

Зеленый

 

Желтый

 

Оранжевый

 

Красный

 

Инфракрасный 

400

 

400- 424

 

424 – 491

 

491 – 550

 

550 – 585

 

585 – 647

 

647 – 740

 

740 

11,8 .1014

 

7,81.1014

 

6,52.1014

 

5,77.1014

 

5,17.1014

 

4,84.1014

 

4,41.1014

 

2,14.1014 

471,4

 

292,0

 

260,6

 

230,5

 

206,6

 

193,6

 

176,4

 

85,5

 

 

 

 

ЗНАЧЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ

СОЛНЕЧНОГО СПЕКТРА ДЛЯ  ФОТОСИНТЕЗА

 

Согласно первому закону фотохимии, только поглощенные лучи могут быть использованы в химических реакциях. В том случае если реагирующие  молекулы бесцветны и не поглощают  свет, фотохимические реакции могут  идти только в присутствии специальных  веществ - сенсибилизаторов. Сенсибилизаторы  — вещества, поглощающие энергию  света и передающие ее на ту или  иную бесцветную молекулу.

 

Положение о том, что в  процессе фотосинтеза могут быть использованы только поглощенные лучи солнечного света, впервые получило экспериментальное подтверждение  в опытах К. А. Тимирязева. До этого  господствовало ошибочное представление, что наибольшее значение в процессе фотосинтеза имеют желтые лучи солнечного спектра, которые хлорофиллом не поглощаются. К. А. Тимирязев показал, что процесс усвоения СО2 на свету представляет собой фотохимический процесс и подчиняется законам фотохимии. В процессе фотосинтеза на место связей, обладающих малым запасом энергии, таких, как О - Н, С - О, создаются связи С —С, благодаря этому свободная энергия системы повышается. Эта энергия представляет собой трансформированную солнечную энергию.

 

К. А. Тимирязевым был разработан точный метод учета процесса фотосинтеза, основанный на одновременном определении  объема поглощенного углекислого газа и выделенного кислорода в  замкнутом сосуде (эвдиометре). Высокая  чувствительность данного метода позволила  определить фотосинтез в отдельных  участках спектра, в которых благодаря  малой их интенсивности фотосинтез

шел очень слабо. Опыты  К. А. Тимирязева ясно показали, что  процесс фотосинтеза проходит именно в тех лучах, которые поглощаются  хлорофиллом. Хлорофилл является оптическим сенсибилизатором, поглощающим энергию  света. Определяя интенсивность  процесса фотосинтеза в различных  лучах солнечного спектра, К. А. Тимирязев  показал, что наиболее интенсивное  усвоение углекислого газа наблюдается  в красных лучах. Затем по направлению  к зеленой части спектра процесс  фотосинтеза постепенно ослабевает. В зеленых лучах фотосинтез минимальный. Это и понятно, так как именно зеленые лучи хлорофиллом почти  не поглощаются. В сине-фиолетовой части  спектра наблюдается второй подъем интенсивности фотосинтеза. Таким  образом, если представить себе интенсивность  фотосинтеза в виде кривой, то она  будет иметь два максимума  соответственно двум максимумам поглощения хлорофилла. Ряд пиков интенсивности  фотосинтеза соответственно отдельным  линиям поглощения хлорофилла не наблюдается, так как хлорофилл в хлоропластах находится в такой концентрации, при которой линии поглощения частично сливаются и образуются два основных максимума. Интенсивность  процесса фотосинтеза в различных  участках спектра получила название спектра действия. Можно сделать  вывод, что спектр поглощения хлорофилла и спектр его действия в процессе фотосинтеза совпадают. Дальнейшие исследования внесли определенные уточнения  как в отношении лучей, поглощаемых  разными формами хлорофилла, так  и в отношении их влияния на процесс фотосинтеза. Однако общие  закономерности, установленные К. А. Тимирязевым, остались в силе.

 

Важное значение имеют  исследования К. А. Тимирязева по эффективности  использования энергии в красном  и сине-фиолетовом участках спектра. Тимирязев провел сравнение интенсивности  и эффективности поглощения энергии  в разных лучах солнечного спектра. Оказалось, что поглощенная энергия  в красном участке спектра  используется более полно. Из этого  наблюдения К. А. Тимирязев сделал вывод, что поглощенная энергия лучей  разного качества, разной длины волны  используется в фотохимических реакциях с разной эффективностью. Зеленый  цвет растений не случаен. В процессе естественного отбора растения приспособились к поглощению именно тех лучей, энергия  которых используется в процессе фотосинтеза наиболее эффективно. На этом примере хорошо демонстрируется  важность исторического подхода  при объяснении тех или иных физиологических  явлений. Мысли К. А. Тимирязева получили блестящее подтверждение после  того, как Эйнштейном была сформулирована теория фотоэффекта. Из теории фотоэффекта  следует, что интенсивность любой  фотохимической реакции определяется не количеством поглощенной энергии, а числом поглощенных квантов. Между  тем, как уже упоминалось, величина квантов в разных лучах солнечного спектра различна. В красных лучах кванты мельче, характеризуются меньшей энергией. По мере того как уменьшается длина волны, растет энергия квантов. В связи с этим на одно и то же количество поглощенной энергии в красных лучах по сравнению с сине-фиолетовыми приходится большее число квантов и соответственно большее количество прореагировавших молекул в фотохимических реакциях, в том числе и при фотосинтезе. Правда, могут быть кванты, несущие так мало энергии, что ее не хватает на то, чтобы вызвать химический эффект. Иначе говоря, для фотохимических реакций существует нижний предел энергии, т. е. верхний предел длины волны, после которого они неосуществимы. Так, фотохимические реакции возможны в пределах величины квантов от 147 до

587 кДж/моль. Таким образом,  в квантах красного света (176 кДж/

 моль /hν) заключено  достаточное количество энергии  для осуществления фотохимической  реакции. Вместе с тем при  поглощении квантов синего света  (261 кДж/моль/hν) реагирующие молекулы  будут получать избыток энергии,  который выделяется в виде  тепла или света.

 

Таким образом, молекулы будут  вступать в реакцию под влиянием разного количества энергии. Следовательно, использование энергии зависит  от качества света. Это было подтверждено исследованиями О. Варбурга. В этих исследованиях впервые была установлена  величина фотосинтетической работы, производимой за счет 1 Дж поглощенной  лучистой энергии. Эта величина возрастает по мере увеличения длины волны.