Вопрос 84. Ассимиляция и фотосинтез. Преобразование энергии при фотосинтезе

Ассимиляция

Ассимиляция – это превращение чужеродных веществ в компоненты собственного организма. Автотрофная ассимиляция зеленых растений, синезеленых водорослей и некоторых бактерий (синтез органических веществ из неорганических) имеет огромное значение для всех живых существ (так называемая первичная продукция). Гетеротрофная ассимиляция остальных организмов – сравнительно более простой процесс превращения одних органических веществ в другие.

Так как органические вещества представляют собой соединения углерода, то решающее значение имеет ассимиляция углерода. Это процесс восстановления, который ведет от максимально окисленного исходного вещества СО2 к менее окисленным продуктам, таким как углеводы. У зеленых растений и синезеленых водорослей источником необходимых для восстановления электронов служит вода, которая при отнятии электронов окисляется. Автотрофные бактерии не способны к окислению воды, им нужны другие доноры электронов. Большую потребность в энергии удовлетворяет фотосинтез или окисление поглощаемых веществ (хемосинтез).

Фотосинтез

Фотосинтез – это преобразование энергии света в химическую энергию. Такое преобразование происходит в пластидах. Химическая энергия накапливается прежде всего в форме АТР [H2] (водород, связанный с коферментом). Для облигатных автотрофов (зеленые бактерии, пурпурные серобактерии, многие синезеленые водоросли) фотосинтез – единственный источник энергии: у них нет процессов диссимиляци, поставляющих АТР.

В зеленых клетках высших растений тоже переходят в цитоплазму большие количества АТР [H2]. Значительная часть последнего в (форме NAD*Н+Н+) попадает в митохондрии и там окисляется в цепи дыхания для дополнительного синтеза АТР. У высших растений большая часть АТР и [H2] используется для синтеза углеводов из СО2. Таким образом, фотосинтез включает преобразование энергии (световой фильтр) в тилакоидах хлоропластов и превращения веществ (ассимиляция углерода – темновой процесс) в строме хлоропластов . Восстановитель [H2] образуется при расщеплении воды за счет энергии света (фотосинтез), при котором выделяется О2. АТР синтезируется при прохождении электронов по цепи транспорта электронов. Переносчиком водорода служит NADP (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), который по сравнению с NAD содержит на один фосфатный остаток больше. NAD*Н+Н+ и АТР направляются в темновой процесс, где водород и энергия используются для синтеза углеводов из СО2, а затем NADP+ и АДР снова используются в световом процессе. Другие органические вещества (не углеводы), например жирные кислоты или аминокислоты, могут быть побочными продуктами фотосинтеза или же вторично образуются из углеводов. На каждые 6 молей поглощенного СО2 выделяется 6 молей О2. Коэффициент ассимиляции AQ – отношение О2/СО2 – при биосинтезе углеводов равен 1. Для восстановления одной молекулы СО2 необходимо около 9 квантов света, так что на 1 моль СО2 должно приходиться 9 молей квантов. Так как 1 моль квантов красного света содержит 172 кДЖ, затрата энергии равна около 9172 кДЖ на 1 моль СО2, т. е. 6 х 9172 кДЖ = 9288 кДЖ на 1 моль С6Н12О6.

Преобразование энергии при фотосинтезе

Преобразование энергии при фотосинтезе (световой процесс). В расчете на 1 молекулу О2 (или 1 молекулу СО2) световой процесс можно представить так: 2Н2О + световая энергия > О2+2 [H2] + энергия АТР. Таким образом, световой процесс представляет собой перенос водорода (электронов и протонов) с одной окислительно-восстановительной системы. Однако перенос электронов от положительного потенциала к отрицательному – процесс эндергонический, он требует затраты энергии. Только для этого и нужна при фотосинтезе энергия света. Таким образом, первичное фотохимическое событие – это перенос электронов против градиента окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) за счет энергии света. Для этого переноса используется цепь транспорта электронов. На большинстве этапов электроны перемещаются здесь «вниз» по градиенту ОВП без затраты энергии и без света. И только два этапа осуществляются против градиента ОВП за счет световой энергии; будучи фотохимическими реакциями, эти этапы не зависят от температуры и протекают даже при минимальных температурах.

Фотохимическое действие

Фотохимическое действие могут оказывать только те кванты света, которые поглощаются пигментами. Тилакоиды содержат следующие пигменты, связанные с белками: хлорофиллы, каротиноиды (каротины и ксантофиллы), а у красных и синезеленых водорослей – также фикобилипротеиды. Свет поглощают все пигменты, но только фотосинтетически активные пигменты (хлорофилл А у растений и синезеленых водорослей и бактериохлорофилл у бактерий) выполняют при этом фотохимическую работу (транспорт электронов). Добавочные пигменты (хлорофилл В, каротиноиды, фикобилипротеиды) передают поглощенную энергию активным пигментам без существенных потерь. Хлорофиллы поглощают свет в синей и красной областях спектра, каротиноиды – в синей и сине-зеленой областях. В зеленой и желтой областях свет не поглощается (исключение составляют красные и синезеленые водоросли), и фотосинтеза не происходит. При поглощении светового кванта молекулы пигмента возбуждается, т. е. на короткое время переходят в высокоэнергетическое, возбужденное состояние. При их возвращении в исходное состояние выделяется энергия, за счет которой может совершаться различная работа. Хлорофилл может иметь различные возбужденные состояния. При возвращении в исходное состояние энергия может выделяться в виде флуоресценции или тепла, передаваться в качестве возбуждающей энергии другим молекулам или использоваться для фотохимической работы.