Курсовая работа 3 вариант, страница 4

Уравнение фотосинтеза:

СО₂ + Н₂О СН₂О)_n -O₂ + 470 кДж/моль.

Кислород является отходом фотосинтеза, а углевод - полезным продуктом.

Спектром действия фотосинтеза называется зависимость ско­рости приращения количества кислорода N_K от числа поглощен­ия квантов N и длины волны λ, т. е. функция f(λ) = N_K/N.

Если N_K - число молекул кислорода, выделяемых в 1 с, N -число квантов, поглощаемых в 1 с, to f(λ)= η_фс(X) - квантовый выход фотосинтеза. На рис. 9 и 10 показаны спектры действия фотосинтеза для зеленых растений и хлореллы. На рис. 9 видно, что спектр действия фотосинтеза практически совпадает со спек­тром поглощения хлорофилла. При выделении одной молекулы кислорода поглощается 8 квантов.

Рис. 9. Спектр поглощения (1) и спектр действия (2) фотосинтеза зеленых растений.

Рис. 10. Квантовый выход фотосинтеза для хлореллы.

Скорость фотосинтеза зависит от интенсивности падающего света I= Nhv. Для количественного определения скорости фото­синтеза можно воспользоваться эмпирической формулой:

Здесь k_ф - константа скорости ферментативной реакции (образо­вания некоего субстрата из СО₂ и Н₂О при участии хлорофилла с последующим выделением O₂). Субстрат образует слабо связан­ный комплекс, распадающийся на углеводные фрагменты и кис­лород. Для производства одной молекулы О₂ требуется в среднем n = 8 молекул субстрата, а на один ферментативный комплекс (не­устойчивую молекулу субстрата) требуется от 50 до 300 молекул хлорофилла; с_ф - концентрация фермента; К_M - постоянная, имеющая смысл концентрации субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной (константа Михаэлиса). При большой интенсивности падающего света I>>K_M наступает насыщение: v_max = с_ф* k_ф/n. Экспериментально k_ф можно опреде­лить, измеряя зависимость выхода О₂ от продолжительности ин­тервалов времени между короткими вспышками света. Эмпири­чески определено среднее время превращения одной молекулы субстрата: t_d =0,02с. Отсюда k_ф = t_d ^-1=50 c^-1. Концентрация фермента для зеленых растений с_ф=[Хл]/300 ([Хл] - концентра­ция хлорофилла). Тогда

Итак, максимальная скорость фотосинтеза при I = const равна одной молекуле кислорода на молекулу хлорофилла за 50 с.

У эукариот (зеленые растения) фотосинтез происходит в хлоропластах, которые рассеяны в цитоплазме. Они содержат хлоро­филл и другие пигменты, локализованные в системе мембран, погруженных в основное вещество - строму. Световые реакции фотосинтеза происходят именно в системе мембран. В строме происходят темновые реакции.

К фотосинтетическим пигментам высших растений относятся хлорофилл и каротиноиды. Их роль заключается в поглощении све­та и превращении его энергии в химическую энергию. Различают следующие формы хлорофилла: a, b, с, d; бактериохлорофилла: a, b, с, d; каротиноида: каротины, ксантофиллы (кислородсодер­жащие каротиноиды), β-каротин. Хлорофиллы поглощают главным образом красный и сине-фиолетовый свет (см. рис. 9), зеленый свет они отражают. Этим обусловлена зеленая окраска листьев большинства растений. Каждая форма хлорофилла отличается друг от друга по положению максимума поглощения в красной области оптического спектра: 670, 680, 690 и 700 нм.

В темноте молекула хлорофилла находится на нижнем (основ­ном) уровне S₀ (рис. 11). Полосы поглощения хлорофилла, соот­ветствующие переходам из основного состояния S₀ в возбужден­ные S* и S₁* (S₀ ->S* и S_o –S₁*), лежат в красной и синей областях спектра. Обратные переходы S*-> S₀ и S₁* —> S_Q являют­ся соответственно флуоресцентным и безызлучательным. Возможен конверсионный переход S*—> Т. Уровень Т - метастабильный, по­скольку излучательный переход Т —> S_o запрещен по спину, поэто­му молекула хлорофилла долго пребывает в T-состоянии, из которо­го возможно поглощение с переходом на более высокий уровень Т* (Т ->*Т ). Вследствие неспаренности электронов в T-состояниях именно этот факт обусловливает возбуждение химических реакций.

Рис. 11. Схема низших возбужденных уровней хлорофилла.

При поглощении света хлорофилл переходит в возбужденное состояние с потерей электрона (т. е. хлорофилл является донором электрона), который будет принят другой молекулой - акцептором электрона. Хлорофилл при этом окисляется, а акцептор восстанав­ливается:

Световые реакции. Существует два типа фотосинтетических единиц (фотосистемы I и II), которые состоят из набора молекул пигментов, передающих энергию одной молекуле главного пиг­мента (ловушке), называемой реакционным центром (Р68О и Р700 на рис. 12). В нем энергия используется для осуществления хи­мических реакций. Здесь происходит преобразование световой энергии в химическую - главное событие фотосинтеза.

Рис. 12. Два типа фотосинтетических единиц.

Оптимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается при оп­ределенном соотношении между количеством возбужденных фо­тосистем I и II (ФСI и ФСII), которое зависит от спектрального состава света. Свет поглощается обеими системами одновременно, но в разной степени. При смещении к красной границе видимого спектра система ФСI получает избыточную энергию, а ФСII - не­достаточную. Баланс улучшается при смещении к синей границе. При изменении интенсивности падающего света энергия перераспределяется между ФСI и ФСII.

Фотосистемы I и II взаимодействуют последовательно в так на­зываемой Z-схеме фотосинтеза; восстановленные продукты ФСII служат донорами электронов для ФСI. Возбуждение светом, кото­рый в основном поглощается ФСII, приводит к восстановлению промежуточных переносчиков, а возбуждение ФСI - наоборот, к их окислению (рис. 13).

Рис. 13. Z-схема фотосинтеза.

Поглощение света происходит пигментами светособирающего (СС) пигмент-белкового (ПБ) комплекса (ССПБК) фотосинтетических единиц, из которого, как из резервуара, энергия возбуждения передается на антенный ПБК ФСI и ФСII и далее непосредственно к реакционным центрам Р700 и Р680. Основной принцип работы реакционных центров состоит в том, что возбуждение фотоактив­ного пигмента приводит к отрыву от него электрона и восстанов­лению первичного акцептора, который потом передает электрон к следующему акцептору и далее - в электронно-транспортную цепь Z-схемы. При этом вероятность переноса электрона с возбужденного уровня реакционного центра на первичный фотохимический акцептор намного выше, чем вероятность излучательной или безызлучательной диссипации энергии. Доставка энергии электрона возбуждения к реакционным центрам ФСI и ФСII высших расте­ний и реакционному центру бактериального фотосинтеза осущест­вляется за счет миграции энергии в светособирающей антенне пу­тем безызлучательного переноса. Системы ФСI и ФСII пространственно разобщены, что затрудняет миграцию энергии электрона возбуждения между ними. Миграция происходит по ме­ханизмам индуктивного резонанса, а в пределах одного комплекса, где расстояния между молекулами пигментов составляют 0,9...1,4 нм, она носит экситонный характер. В таких системах делокализация экситона происходит за 10^-13 ... 10^-14 с.

Функциональное биологическое назначение светособирающей антенны состоит в повышенной эффективности использования по­глощенных квантов. Среднее время, необходимое для утилизации энергии кванта света (выделение молекулы О₂), составляет 0,01. ..0,02 с. Время регенерации фотоактивного пигмента реакци­онного центра намного меньше (< 10⁶с). При ярком дневном свете каждая отдельная молекула хлорофилла будет поглощать не более 1... 10 квант/с, а при обычной интенсивности света - еще меньше. В этом случае реакционный центр, практически лишенный собствен­ной светособирающей антенны и включающий в свой состав фото­активный пигмент, будет значительную часть времени «простаи­вать». Объединение многих десятков молекул пигментов в фотосинтетическую единицу, обслуживающую фотоактивный пиг­мент, предотвращает такого рода потери. Экспериментально пока­зано, что время жизни τ синглетного возбужденного состояния хло­рофилла в растворе составляет 5 нс, а в хлоропластах оно сокращается в 20 - 30 раз (рис. 14). Очевидно, что при попадании возбуждения в реакционный центр происходит эффективный про­цесс использования электронной энергии состояния S₁ в первичном акте фотосинтеза. Тем самым, время пребывания хлорофилла в воз­бужденном состоянии S₁ в листе сокращается.

Перенос электронов приводит к образованию АТФ (фотофосфорилирование) и НАДФ*Н₂:

Таким образом, энергия света превращается в энергию хими­ческих связей АТФ и НАДФ*Н₂. Вода расщепляется на Н₂ и О₂; Н₂ переносится на НАДФ, a О₂ - отход процесса фотосинтеза.

Рис. 14. Время передачи энергии в фотосистемах I и II.

Темновые реакции. Такие реакции происходят в строме и не тре6уют света. Их результатом является восстановление СО₂ с об­разованием органических соединений - углеводов, при этом ис­пользуется энергия химических связей АТФ и водород НАДФ*Н₂:

Таким образом, процесс фотосинтеза можно разбить на три этапа:

1. фотофизический - возбуждение электрона и миграция его энергии возбуждения (за время 10^-16... 10^-12 с);

2) фотохимический - разделение зарядов, образование проме­жуточных продуктов (за время 10^-12 ...10^-2с);

3) ферментативный - синтез биологических продуктов (за вре­мя 10^-2...10⁴с).

Первичные реакции фотосинтеза от поглощения кванта и его захвата в реакционном центре (ферментативной реакции) проте­кают менее чем за 100 нс. За это время не успевают полностью высветиться даже те переходы, которые не запрещены по спину, поэтому квантовый выход первичного процесса велик (90 %). Вторичные процессы, приводящие к генерации О₂, пока что не нашли однозначного и тем более количественного объяснения.

Другие фотосинтетические пигменты - каротиноиды (желтые, оранжевые, красные или коричневые) сильно поглощают в сине-фиолетовой области. Они обычно замаскированы хлорофиллами, но выявляются перед листопадом, так как хлорофиллы разруша­ются первыми. Каротиноиды содержатся также в цветах. Они функционируют как дополнительные пигменты. Каротиноид по­глощает свет, переходя в метастабильное состояние, и тем самым защищает хлорофилл от избытка света и окисления кислородом, выделяющимся при фотосинтезе. Защитная роль каротина опреде­ляется тем, что скорость его окисления кислородом на четыре по­рядка выше, чем скорость окисления хлорофилла. Каротиноиды являются физическим тушителем возбуждения.

Молекулы каротиноидов, помимо светособирающей и защитной функции, выполняют роль стабилизаторов структуры пигмент-белковых комплексов фотосинтезирующих бактерий, высших рас­тений и водорослей. Кроме того, считается, что они повышают устойчивость микроорганизмов и водорослей к ионизирующему излучению, играют существенную роль в приспособлении к жизни в экстремальных условиях: сероводородной атмосфере, высоко­температурных источниках, концентрированных растворах солей и кислот.

Модель темновых процессов фотосинтеза.

Одной из первых моделей, описывающих колебательный процесс в живой системе, была модель темновых процессов фотосинтеза, предложенная и исследованная Д.С.Чернавским с сотрудниками (1967). Модель является примером системы второго порядка с квадратичными правыми частями, в которой возникают автоколебания (существует предельный цикл) и допускает полное аналитической исследование (Белюстина, 1967).