Фотосинтез и хемосинтез

1.7. Фотосинтез и хемосинтез

Фотосинтез — процесс образования органических соединений из диоксида углерода (СО₂) и воды с использованием и преобразованием энергии света. Происходит у зеленых растений, цианобактерий и водорослей.

Красный и синий свет улавливается фотосинтезирующим пигментом — хлорофиллом, встроенным во внутреннюю мембрану пластид или в складки цитоплазматической мембраны прокариот. Зеленый свет отражается от листа, поэтому мы видим листья зелеными.

Фотосинтез подразделяется на реакции, вызываемые светом, и реакции, связанные с фиксацией углерода. Их не совсем точно называют световой и темновой фазами.

Световая фаза — это этап, на котором энергия света, поглощенная хлорофиллом, преобразуется в химическую энергию АТФ и НАДФН₂. Осуществляется на свету в мембранах гран при участии белков-переносчиков и АТФ-синтетазы.

Реакции, вызываемые светом, происходят на фотосинтетических мембранах гран хлоропластов:

• возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;
• восстановление акцепторов электронов — НАДФ⁺ до НАДФН₂; 2Н⁺ + 4е ^{— +НАДФ+ → НАДФН₂;}
• фотолиз воды, происходящий при участии квантов света: 2Н₂O → 4Н⁺+ 4е^— + O₂.

Процесс происходит внутри тилакоидов гран хлоропластов;

• протоны водорода Н⁺ накапливаются в Н⁺-резервуаре внутри граны. Их накопление на внутренней стороне мембраны приводит к нарастанию разности потенциалов. При этом внутренняя сторона мембраны заряжается положительно, за счет протонов, а наружная — отрицательно, за счет электронов;
• начинает работать протонная помпа, обеспечивающая движение протонов из тилакоидов в строму через канал АТФ-синтетазы под действием электрического поля. В строме же находится АДФ и остатки фосфорной кислоты, которые используются для синтеза АТФ.

Результатами световых реакций являются: образование кислорода, синтез АТФ, восстановление НАДФН₂.

Темновая фаза — процесс преобразования СO₂ в глюкозу в строме хлоропластов с использованием энергии АТФ и НАДФН₂.

Реакции фиксации углерода — это последовательные преобразования СO₂ в глюкозу:

• сначала происходит фиксация молекул С0₂ 1-5-рибуло-зодифосфатом, при участии ферментов;
• затем диоксид постепенно восстанавливается до глюкозы при участии АТФ и НАДФН₂ (Цикл Кальвина): СO₂ + 24Н -> С₆Н₁₂O₆ + 6Н₂O;
• помимо молекул глюкозы в строме образуются аминокислоты, нуклеотиды, спирты.

Суммарное уравнение фотосинтеза:

Значение фотосинтеза:

• фотосинтез обеспечивает производство исходных органических веществ, а следовательно, пищу для всех живых существ;
• в процессе фотосинтеза образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов;
• кислородом образован защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от вредного воздействия ультрафиолетового излучения;
• фотосинтез способствует снижению концентрации диоксида углерода в атмосфере.

Хемосинтез — образование органических соединений из неорганических за счет энергии окислительно-восстановительных реакций соединений азота, железа, серы. Существует несколько видов хемосинтетических реакций:

• окисление аммиака до азотистой и азотной кислот нитрифицирующими бактериями:

• превращение двухвалентного железа в трехвалентное железобактериями:
  
• окисление сероводорода до серы или серной кислоты серобактериями:
  

Выделяемая энергия используется для синтеза органических веществ.

Роль хемосинтеза: бактерии-хемосинтетики разрушают горные породы, очищают сточные воды, участвуют в образовании полезных ископаемых.