ФОТОСИНТЕЗ

Фотосинтез - освіту органічних речовин зеленими рослинами і деякими бактеріями з використанням енергії сонячного світла.

В ході фотосинтезу відбувається поглинання з атмосфери діоксиду вуглецю і виділення кисню.

Першим виявив, що рослини виділяють кисень, англійський хімік і філософ Джозеф Прістлі близько 1770. Незабаром було встановлено, що для цього необхідне світло і що кисень виділяють тільки зелені частини рослин. Потім дослідники знайшли, що для живлення рослин потрібно діоксид вуглецю і вода, з яких створюється велика частина маси рослин. У 1817 французькі хіміки П'єр Жозеф Пелата (1788-1842) і Жозеф Бьенеме Каванту (1795-1877) виділили зелений пігмент хлорофіл (по-грецьки cróz - chloros, зелений; julln - phyllon, лист). Пізніше російський вчений Климент Аркадійович Тімірязєв (1843-1920) показав, що фотосинтез проходить з найбільшою інтенсивністю в тих областях сонячного спектра, де знаходяться максимуми поглинання хлорофілу.

До середини 19 ст. було встановлено, що фотосинтез є процесом, як би зворотнім дихальному. Французький вчений Жан Батіст Буссенго (1802-1887) в своїх роботах, опублікованих в цей час, стверджував, що в процесі фотосинтезу відбувається виділення кисню з вуглекислого газу. Ця думка в науковій літературі панувало тривалий час.

У 1860-х було висловлено припущення, що діоксид вуглецю в рослинах відновлюється до органічних кислот, зокрема, мурашиної і щавлевої. Потім ці кислоти при подальшому відновленні переходять в вуглеводи. У 1861 російський хімік Олександр Михайлович Бутлеров отримав при дії вапняної води на формальдегід утворення сиропу речовина, що містить вуглеводи. Грунтуючись на цьому відкритті, німецький хімік Адольф Байєр в 1870 висловив припущення, що первинним продуктом відновлення діоксиду вуглецю в зелених рослинах є формальдегід, який потім перетворюється в вуглеводи. Ця гіпотеза привернула загальну увагу - вона здавалася найбільш правдоподібною. Однак вона нічого не говорила про механізм виділення кисню.

Цим питанням зайнявся в кінці 19 ст. біохімік Олексій Миколайович Бах (1857-1946). На основі експериментальних досліджень він прийшов до висновку, що при асиміляції діоксиду вуглецю джерелом виділяється молекулярного кисню є пероксиди, які утворюються з води. Він же висловив припущення про биокаталитических ролі білків-ферментів у фотосинтезі.

У 20 ст. було встановлено, що процес фотосинтезу починається на світлі в фоторецепторах хлорофілів, проте багато з наступних стадій можуть протікати в темряві. Загальний процес є ендотермічним (D H ° ~ 469 кДж / моль СО2). У ньому бере участь кілька типів хлорофілу, а також інші комплекси магнію, заліза і міді.

У 1941 американський біохімік Мелвін Калвін (1911-1997) показав, що первинний процес фотосинтезу полягає в фотолізі молекул води, в результаті чого утворюються кисень, що виділяється в атмосферу, і водень, що йде на відновлення діоксиду вуглецю до органічних речовин. Використовуючи радіоактивний ізотоп вуглецю 14С, паперову хроматографію і класичні методи органічної хімії, Калвін і його група змогли простежити биосинтетические шляху фотохімічних процесів. У 1956 став ясним повний шлях перетворення вуглецю при фотосинтезі. За дослідження в області асиміляції діоксиду вуглецю в рослинах Калвін був удостоєний в 1961 Нобелівської премії з хімії.

Повна послідовність всіх стадій фотосинтезу поки ще з'ясована не до кінця, проте інтенсивна наукова робота в цьому напрямку триває. Досліджується механізм електронного транспорту, триває з'ясування природи комплексу, що каталізує утворення кисню, вивчається структура реакційних центрів та світлозбиральних комплексів.

В цілому, хімічний баланс фотосинтезу може бути представлений у вигляді простого рівняння:

6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2

Водень, необхідний для відновлення діоксиду вуглецю до глюкози, береться з води, а виділяється в ході фотосинтезу кисень є побічним продуктом. Процес потребує енергії світла, так як вода сама по собі не здатна відновлювати діоксид вуглецю.

У світлозалежна частини фотосинтезу (світловий реакції) відбувається розщеплення молекул води з утворенням протонів, електронів і атома кисню. Електрони, порушені енергією світла, відновлюють нікотінаденіндінуклеотідфосфат (НАДФ). Утворений НАДФ- Н є підходящим відновником для перекладу діоксиду вуглецю в органічні сполуки. Крім того, в світловий реакції утворюється аденозинтрифосфат (АТФ), який також необхідний для фіксації діоксиду вуглецю.

У світлових реакціях електрони переносяться по електрон-транспортного ланцюга від однієї окислювально-відновної системи до іншої. Порушення електронів для відновлення нікотінаденіндінуклеотідфосфата - складний фотохімічний процес. Він відбувається в реакційних центрах (фотосистемою), які представляють собою білкові комплекси, що містять безліч молекул хлорофілу та інших пігментів. Тільки близько 1% молекул хлорофілу беруть участь безпосередньо в фотохімічному перенесення електронів. Основна частина пов'язана з іншими пігментами в так званому комплексі светособірающей антени. Енергія кванта світла, накопиченого в комплексі, передається на реакційний центр, де і використовується.

Наступні процеси можуть протікати в темряві (темновая реакція). Повна послідовність перетворення діоксиду вуглецю в органічні сполуки називається циклом Калвіна.

У зелених водоростях і вищих рослинах фотосинтез відбувається в хлоропластах, які оточені двома мембранами і містять власну ДНК. Світлові реакції каталізується ферментами, що знаходяться в складених стопками потовщених мембранних мішках, а темнові реакції відбуваються у внутрішньому просторі хлоропластів.

Таким чином, в основі фотосинтезу лежить перетворення електромагнітної енергії світла в хімічну енергію. Ця енергія, врешті-решт, дає можливість перетворювати вуглекислий газ в вуглеводи і інші органічні сполуки з виділенням кисню.

Фотосинтез, який є одним з найбільш поширених процесів на Землі, зумовлює природні кругообіги вуглецю, кисню та інших елементів і забезпечує матеріальну і енергетичну основу життя на нашій планеті. Фотосинтез є єдиним джерелом атмосферного кисню.

Процес фотосинтезу є основою харчування всіх живих істот, а також постачає людство паливом (деревина, вугілля, нафта), волокнами (целюлоза) і незліченними корисними хімічними сполуками. З діоксиду вуглецю і води, пов'язаних з повітря під час фотосинтезу, утворюється близько 90-95% сухого ваги врожаю. Решта 5-10% припадають на мінеральні солі і азот, отримані з грунту.

Людина використовує близько 7% продуктів фотосинтезу в їжу, як корм для тварин і у вигляді палива і будівельних матеріалів.

Олена Савинкина