Физиология растений

Различные возбужденные состояния  электронов характеризуются разным временем жизни¹. Время жизни на S<2* уровне составляет Ю^-12 с. Это время настолько мало, что на его протяжении энергия электронного возбуждения не может быть использована. Через этот короткий промежуток времени электрон возвращается в первое синглетное состояние S\*  (без изменения направления спина). Переход

¹ Время жизни определяется по времени, которое требуется, чтобы число молекул в данном состоянии уменьшилось на 63%.

из второго синглетного состояния 5г* в первое Si* сопровождается некоторой потерей энергии 100 кДж в виде теплоты. Время жизни в первом синглетном состоянии немного больше 10~⁹ или 10~⁸ с. Наибольшим временем жизни Ю^-4—10~² с обладает триплетное состояние Т\*. Переход на триплетный уровень происходит с изменением спина электрона.

Из возбужденного состояния  молекула хлорофилла может переходить в основное. При этом ее дезактивация (потеря энергии) может происходить путем флюоресценции, без излучательного рассеивания энергии в виде теплоты, переноса энергии на другие молекулы, в частности на другие молекулы хлорофилла, потери возбужденного электрона — химического взаимодействия. При переходе электрона из триплетного состояния в основное энергия может выделяться в виде фосфоресценции (длительного свечения), в виде теплоты и использоваться на фотохимическую работу с потерей электрона.

Таким образом, энергия возбужденного состояния молекул может испускаться (в виде флюоресценции, фосфоресценции или теплоты), передаваться на другие молекулы или быть непосредственно использована в фотохимической реакции (рис. 38). В любом из указанных случаев молекула пигмента дезактивируется и переходит на основной энергетический уровень. Энергия, испускаемая в виде флюоресценции или в виде теплоты, не может быть использована.

В настоящее время показано, что  в первичных процессйх фотосинтеза, связанных с поглощением молекулой хлорофилла кванта света, важную роль играют процессы передачи энергии. Исследования показали, что не каждая 
молекула хлорофилла принимает участие в последующих фотохимических реакциях. Непосредственная связь с реакционным центром осуществляется    пртгмтфно    одной из 200—250 молекул "хлорофилла. Остальные  молекулы   хлорофилла воспринимают энергию и передают ее  этой молекуле-ловушке.  Такое Переходы между возбужден-    _{устроиС}тво позволяет значительно 
ними состояниями  хлорофилла пос

пе  поглощения квантов синего или    ^полнее использовать энергию све- 
кра.,ного света (по Э. Либберту). та. Подсчитано, что каждая моле кула хлорофилла на прямом солнечном свету поглощает квант света не чаще, чем через 0,1 с, а по некоторым данным еще реже. Между тем скорость последующих реакций фотосинтеза значительно больше. Из сказанного следует, что при непосредственной связи каждой молекулы хлорофилла с последующей реакцией процесс фотосинтеза шел бы прерывисто. Необходимо учитывать также, что использование энергии света в химических , реакциях требует большого количества ферментов. Если бы каждая молекула хлорофилла отдавала энергию света непосредственно на фотохимические процессы, то в листе не хватило бы места для размещения всех необходимых для этого ферментных систем. В процессе эволюции в растениях выработался механизм, позволяющий наиболее полно использовать кванты света, падающие на лист подобно каплям дождя. Механизм этот заключается в том, что энергия квантов света улавливается 200—250 молекулами хлорофилла и как бы стекается к одной особой его молекуле, являющейся ловушкой и связанной с реакционным центром (рис. 39). Эта молекула хлорофилла-ловушки со всеми вспомогатежьнкши молекулами пигментов, которые передают ей энергию, представляют собой фотосинтетическую единицу. В улавливании и передаче энергии на молекулу хлорофилла-ловушки могут участвовать не только молекулы хлорофилла а и хлорофилла Ъ, но и такие пигменты, как каротиноиды и фикобилииы. Передача энергии между молекулами пигментов идет главным образом резонансным путем без разделения зарядов с большой скоростью и с большой эффективностью. Так, время переноса энергии от одной молекулы хлорофилла к другой составляет 1Х10^-12— 2ХЮ~¹² с, а от молекулы каротиноидов к хлорофиллу 4ХЮ~¹⁰ с. Таким образом, время переноса энергии значительно меньше времени жизни возбужденной молекулы (10~⁸ с). Вероятность резонансного переноса энергии обратно пропорциональна шестой части расстояния между молекулами. Следовательно, такой перенос может осуществляться только при близком расстоянии между молекулами пигментов. В этой связи становится понятной необходимость весьма плотной упаковки молекул хлорофилла в ламеллах хлоропластов. Расчеты показали, что в одном хлоропласте до 1 млрд. молекул хлорофилла. Расстояние между молекулами хлорофилла в мембранах составляет всего 1 нм. Перенос энергии происходит только от пигментов, поглощающих свет с меньшей длиной волны, к пигментам, поглощающим свет с большей длиной волны. Дело в том, что хотя передача энергии от

от одной молекулы пигмента к другой идет с большой эффективностью (от хлорофилла b к хлорофиллу а — 90%, от каротиноидов к хлорофиллу— 40%), однако все же это связано с некоторой ее потерей. Вместе с тем кванты света с меньшей длиной волны обладают большей энергией. В этой связи потеря энергии приводит к превращению квантов в более мелкие (с большей длиной волны). Именно поэтому основная форма хлорофилла, к которой стекается энергия, поглощает лучи с длиной волны 700 нм и обозначается как пигмент 700 (П₇оо). Обратный перенос энергии невозможен. Таким образом, фотофизический этап фотосинтеза заключается в том, что кванты света поглощаются и переводят молекулы пигментов в возбужденное состояние. Затем эта энергия переносится на хлорофилл-ловушку, связанную с реакционным центром, где она и используется в фотохимических реакциях. Дальнейшее превращение энергии света в химическую энергию проходит ряд этапов, начиная с окислительно-восстановительных превращений хлорофилла и включая как фотохимические (световые), так и энзиматические (темповые) реакции.

ХИМИЗМ ФОТОСИНТЕЗА

Фотосинтез — это сложный  многоступенчатый окислительно-восстановительный процесс, в котором происходит восстановление угле- д кислого газа до уровня углеводов и окисление воды до кислорода.,, Ц,-Фотосинтез включает как световые, так и темновые реакции. Был ~ проведен ряд экспериментов, доказывающих, что в процессе фотосинтеза происходят реакции, не требующие света (темновые). 1. Фотосинтез ускоряется с повышением температуры. Отсюда прямо следует, что какие-то этапы этого процесса непосредственно не связаны с ■ использованием энергии света. Особенно резко зависимость фотосинтеза от температуры проявляется при высоких интенсивностях света. По-видимому,  в  этом случае  скорость фотосинтеза     лимитируется именно темновыми реакциями. 2. Эффективность использования энергии света в процессе фотосинтеза оказалась выше при прерывистом освещении.  Для  более  эффективного использования  энергии света длительность темновых промежутков должна значительно превышать длительность световых.

В 1932 г. Эмерсону удалось непосредственно  измерить продолжительность световых и темновых реакций фотосинтеза. Оказалось, что скорость световой реакции составляет 10~⁵ с и не зависит от температуры, тогда как скорость темновой значительно меньше и в зависимости от температуры изменяется от 4.Х10^-1 до 4Х10~² с.

1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ  КИСЛОРОДА ПРИ ФОТОСИНТЕЗЕ

Большое значение для раскрытия  вопроса о сущности реакций при  фотосинтезе имело изучение особенностей бактериального фотосинтеза.

Впервые на свойство содержащих пигменты бактерий использовать энергию света  для фотосинтеза указал Энгельман (1883). Дальнейшие исследования    показали, что окрашенные   бактерии   содержат пигменты, относящиеся к группе хлорофиллов, а именно бактерио-хлорофиллы, и синтезируют органическое вещество из неорганических соединений при участии энергии света. Однако этот процесс не сопровождается выделением кислорода. Это связано с тем, что в качестве источника водорода бактерии используют не воду, а сероводород или другие соединения. Такой тип ассимиляции СОг получил название бактериального фотосинтеза или фоторедукции.

Наиболее распространены содержащие пигменты серные бактерии. Как установил Ван-Ниль, у бактерий (фотолитотрофные бактерии) ассимиляция СОг сопровождается разложением сероводорода с выделением серы:

С0₂ + 2H₂S + ftv -*■ [СН_гО] + 2S + Н₄0,

где формула [СНгО] означает, что один атом углерода восстановлен до углеводов.

Есть несерные окрашенные бактерии, которые в качестве источника водорода используют различные органические соединения (фо-тоорганотрофные микроорганизмы). Процесс может идти по следующему типу:

С0₂ + 2СН₈СНОНСН₃ ->- 2СН₃—С—СН₃ + [СН₂0] + Н₂0

II

О Во всех разобранных случаях происходит восстановление СОг за счет водорода какого-либо другого соединения. Ван-Ниль высказал предположение, что при фотосинтезе происходит сходный процесс, а именно разложение воды и присоединение водорода к СОг. При этом кислород выделяется. Высказанное предположение получило экспериментальное подтверждение в работах академика А. П. Виноградова (1941). Он провел анализ изотопного состава (соотношения ¹⁶0, ¹⁷0, ¹⁸0) кислорода разного происхождения. Оказалось, что кислород, выделенный из воды, воздуха и образующийся при фотосинтезе, имеет одинаковое соотношение изотопов, тогда как кислород СОг содержит относительно больше тяжелых изотопов. На основании этих исследований было сделано два вывода: 1. В процессе фотосинтеза разлагается вода и выделяется кислород. 2. Источником кислорода воздуха является процесс фотосинтеза.

Поскольку весь кислород фотосинтеза  выделяется из воды, общее уравнение фотосинтеза принимает следующий вид:

6С0₂ + 12Н₂0 + hi-*- C₆H₁₂O_e + 60₂ + 6Н₂0

Вода в правой части уравнения  не подлежит сокращению, поскольку ее кислород имеет иной изотопный состав  (из СО2).

В последнее время точными опытами  установлено, что изотопный состав кислорода, выделяемого в процессе фотосинтеза, несколько отличается от изотопного состава кислорода воды. Исследования, проведенные с использованием меченого кислорода, позволили Б. В. Вартапетяну прийти к выводу, что вода в хлоропластах неоднородна и состоит из двух компонентов: воды, поступающей из внешней среды, и воды, которая образовалась в процессе самого фотосинтеза. Кислород этой (биосиитетической) воды, как мы видели, более тяжелый. В процессе фотосинтеза разлагаются оба типа воды. В силу этого кислород, выделяемый при фотосинтезе, несколько обогащен ¹⁸0. Сказанное можно представить в виде следующей схемы:

6СО* + 12Н₂0 + fcv -*- С₆Н₎₂О_в + 60₂ + 6Н₂0*

Расчеты показывают, что для образования  этого, более тяжелого кислорода на каждые 10 молекул обычной воды должна разлагаться (окисляться) одна молекула биосинтетической воды.

В 1937 г. английский физиолог Р. Хилл показал, что изолированные хлоропласты на свету в присутствии какого-либо легко восстанавливающегося вещества (акцептора водорода) окисляют воду, при этом кислород выделяется. В качестве акцептора водорода в опытах Хилла был использован хинон. При этом выделение кислорода хло-ропластами на свету протекает в отсутствии углекислоты (реакция Хилла):

Н₂0 -f hv -*■ 2Н⁺ -К— 0₂;    хинон + 2Н⁺ -> гидрохинон

Дальнейшие исследования показали, что те же самые ингибиторы, которые  тормозят реакцию Хилла, приостанавливают и выделение кислорода в процессе фотосинтеза. Это дало основание  считать, что световая фаза фотосинтеза  включает разложение воды. Таким образом, в процессе фотосинтеза происходит разложение воды, на что в первую очередь затрачивается энергия света.

В 1950 г. было показано, что, вместо искусственных  акцепторов водорода, примененных Хиллом, можно использовать естественный кофермент никотинамидадениндинуклеотидфосфат — НАДФ. Изолированные хлоропласты на свету восстанавливают НАДФ, одновременно выделяется кислород. Однако сущность происходящих на свету реакций была выяснена лишь в 1954—1958 гг. благодаря работам Д. Арнона.

г. фотохимическими этап фотосинтеза.

ЦИКЛИЧЕСКОЕ И НЕЦИКЛИЧЕСКОЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Фотохимические реакции фотосинтеза  — это реакции, в которых энергия  света преобразуется в энергию  химических связей, н в первую очередь в энергию фосфорных связей АТФ.

Энергия поглощенных квантов света  стекается от сотен молекул пигментов  к одной, характеризующейся поглощением  в наиболее длинноволновой части  солнечного спектра. Молекула хлорофилла-ло-вутпки, связанная с реакционным центром, отдает электрон (окисляется). Электрон поступает в электронно-транспортную<-цепь. Перенос электрона по цепи переносчиков включает ряд окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых выделяется энергия. Эта энергия может быть использована для синтеза АТФ. Процесс преобразования энергии квантов света в АТФ получил название фотосинтетического фосфорилирования (Д. Арпон).

Различают два основных типа фотосинтетического фосфорилирования: нециклическое и циклическое. Они связаны соответственно с нециклическим и циклическим потоками электронов. При циклическом потоке электроны, переданные от молекулы хлорофилла первичному акцептору, возвращаются к ней обратно. При нециклическом потоке  происходит  фотоокисление  воды  и  передача  электрона  от

воды к НАДФ.

Совокупность молекул пигментов    (фотосинтетическая единица) совместно с определенными белками-переносчиками электронов составляет фотосистему. В процессе фотосинтеза принимают участие две фотосистемы. Эмерсон показал, что эффективность света с длиной волны 680—700 нм может быть значительно повышена добавлением света с более короткой длиной волны (К 650—660 нм). Интенсивность фотосинтеза при освещении смешанным светом   (с двумя длинами волн)  оказалась выше суммы интенсивностей фотосинтеза, наблюдаемой при освещении светом каждой длины волны в отдельности. Это явление называют эффектом усиления или эффектом Эмерсона.   Был  сделан  вывод,  что  необходимо  одновременное  световое возбуждение  пигментов,     различающихся  по  спектру  поглощения. Именно это и привело к понятию о существовании двух фотосистем. Интересно, что эффект усиления наблюдается при изучении фотосинтеза у высших растений и водорослей. У бактерий этот эффект отсутствует:

Установлено, что первая фотосистема  у высших растений включает 200 молекул хлорофилла а, 50 молекул каротиноидов и 1 молекулу хлорофилла (хлорофилл-ловушка), поглощающую свет с длиной волны X 700 нм (Шоо). Вторая фотосистема включает 200 молекул хлорофилла а, 200 молекул хлорофилла Ь и 1 молекулу хлорофилла, поглощающую свет с длиной волны К 680 нм (Щад)- По-видимому, свет поглощается раздельно этими двумя фотосистемами а нормальное осуществление фотосинтеза требует их одновременного

участия.

Общая схема нециклического фотофосфорилирования представлена на рисунке 40. При нециклическом потоке электронов принимают участие две фотосистемы. Энергия квантов света стекается к молекуле пигмента П700, который и выступает в виде ловушки (фотосистема I). Электрон в молекуле П700 переходит на более высокий энергетический уровень (Si*). В основном состоянии О/В потенциал Шоо довольно высокий (+0,43 В). Следовательно, тенденция к потере электрона (окислению) выражена очень слабо. Однако при поглощении кванта света молекула Шоэ переходит в возбужденное состояние и ее окислительно-восстановительный потенциал падает до —0,60 мВ. Поэтому в возбужденном состоянии молекула Шоо легко отдает электрон (фотохимическая реакция). Отдавая электрон, моле

 стояние). Благодаря этому он является прекрасным акцептором электронов. Источником электрона, заполняющего эту «дырку», является фотосистема II. Она ответственна за реакции, связанные с разложением воды и выделением кислорода. Ловушкой квантов света в фотосистеме II является молекула хлорофилла, поглощающая свет с длиной волны — Я 680 (Хлбво). Под влиянием поглощенного кванта света возбужденный электрон молекулы Хлбво воспринимается акцептором и передается дальше по цепи переносчиков. Образовавшаяся электронная «дырка» в молекуле Хл₆во действует как сильный окислитель и через ряд переносчиков при участии иона марганца отнимает электрон от воды. Этот электрон заполняет электронную «дырку» в молекуле Хлбво- Происходит фотоокисление воды и выделяется кислород: