Фотосинтез являє собою сукупність процесів формування світлової енергії в енергію хімічних зв'язків органічних речовин за участю фотосинтетичних фарбувальних речовин.
Такий тип харчування характерний для рослин, прокаріотів і деяких видів одноклітинних еукаріотів.
При природному синтезі вуглець і вода у взаємодії зі світлом перетворюються в глюкозу і вільний кисень:
6co2 + 6H2O + світлова енергія → C6H12O6 + 6O2
Сучасна Фізіологія рослин під поняттям фотосинтезу розуміє фотоавтотрофну функцію, яка є сукупністю процесів поглинання, перетворення і застосування квантів світлової енергії в різних несамопроізвольних реакціях, включаючи перетворення вуглекислого газу в органіку.
Фази
Фотосинтез у рослин відбувається в листі через хлоропласти - напівавтономні двомембранні органели, що відносяться до класу пластид. З плоскою формою листових пластин забезпечується якісне поглинання і повне використання світлової енергії і вуглекислого газу. Вода, необхідна для природного синтезу, надходить від коренів через водопровідну тканину. Газообмін відбувається за допомогою дифузії через продихи і частково через кутикулу.
Хлоропласти заповнені безбарвною стромою і пронизані ламелями, які при з'єднанні один з одним утворюють тилакоїди. Саме в них і відбувається фотосинтез. Ціанобактерії самі собою являють хлоропласти, тому апарат для природного синтезу в них не виділений в окрему органелу.
Фотосинтез протікає за участю пігментів , якими зазвичай виступають хлорофіли. Деякі організми містять інший пігмент-каротиноїд або фікобілін. Прокаріоти мають пігментом бактеріохлорофілом, причому дані організми не виділяють кисень по завершенні природного синтезу.
Фотосинтез проходить дві фази — світлову і темнову. Кожна з них характеризується певними реакціями і взаємодіючими речовинами. Розглянемо докладніше процес фаз фотосинтезу.
Світлова
Перша фаза фотосинтезу характеризується утворенням високоенергетичних продуктів, якими є АТФ, клітинне джерело енергії, і НАДФ, відновник. В кінці стадії в якості побічного продукту утворюється кисень. Світлова стадія відбувається обов'язково з сонячним світлом.
Процес фотосинтезу протікає в мембранах тилакоїдів за участю білків-переносників електронів, АТФ-синтетази і хлорофілу (або іншого пігменту).
Функціонування електрохімічних ланцюгів, по яких відбувається передача електронів і частково протонів водню, утворюється в складних комплексах, що формуються пігментами і ферментами.
Опис процесу світлової фази:
- При попаданні сонячного світла на листові пластини рослинних організмів відбувається збудження електронів хлорофілу в структурі пластин;
- В активному стані частинки виходять з пігментного молекули і потрапляють на зовнішню сторону тилакоида, заряджену негативно. Це відбувається одночасно з окисленням і подальшим відновленням молекул хлорофілу, які відбирають чергові електрони у надійшла в листя води;
- Потім відбувається фотоліз води з утворенням іонів, які віддають електрони і перетворюються в радикали OH, здатні брати участь в реакціях і надалі;
- Потім ці радикали з'єднуються, утворюючи молекули води і вільний кисень, що виходить в атмосферу;
- Тилакоїдна мембрана набуває з одного боку позитивний заряд за рахунок іона водню, а з іншого — негативний за рахунок електронів;
- З досягненням різниці в 200 мВ між сторонами мембрани протони проходять через фермент АТФ-синтетазу, що призводить до перетворення АДФ в АТФ (процес фосфорилювання);
- З атомним воднем, що звільнився з води, відбувається відновлення НАДФ + в НАДФ * Н2;
Тоді як вільний кисень в процесі реакцій виходить в атмосферу, АТФ і НАДФ·Н2 беруть участь в темновой фазі природного синтезу.
Темна
Обов'язковий компонент для цієї стадії-вуглекислий газ, який рослини постійно поглинають із зовнішнього середовища через продихи в листі. Процеси темнової фази проходять в стромі хлоропласта. Оскільки на даному етапі не потрібно багато сонячної енергії і буде досить одержані в ході світловий фази АТФ і НАДФ·Н2, реакції в організмах можуть протікати і вдень, і вночі. Процеси на цій стадії відбуваються швидше, ніж на попередній.
Сукупність всіх процесів, що відбуваються в темновой фазі, представлена у вигляді своєрідного ланцюжка послідовних перетворень вуглекислоти, що надійшла із зовнішнього середовища:
- Першою реакцією в такому ланцюжку є фіксація вуглекислого газу. Наявність ферменту Рібф-карбоксилаза сприяє швидкому і плавному протіканню реакції, в результаті якої відбувається утворення шестивуглецевої сполуки, що розпадається на 2 молекули фосфогліцеринової кислоти;
- Потім відбувається досить складний цикл, що включає ще певне число реакцій, по завершенні яких фосфогліцеринова кислота перетворюється в природний цукор — глюкозу. Цей процес називають циклом Кальвіна;
Разом з цукром також відбувається формування жирних кислот, амінокислот, гліцерину і нуклеотидів.
Суть фотосинтезу
З таблиці порівнянь світловий і темнової фаз природного синтезу можна коротко описати суть кожної з них. Світлова фаза відбувається в гранах хлоропласту з обов'язковим включенням в реакції світлової енергії. У реакціях задіяні такі компоненти як білки, що переносять електрони, АТФ-синтетаза і хлорофіл, які при взаємодії з водою утворюють вільний кисень, АТФ і НАДФ·Н2. Для темнової фази, що відбувається в стромі хлоропласту, сонячне світло не є обов'язковим. Утворені на минулому етапі АТФ і НАДФ·Н2 при взаємодії з вуглекислотою формують природний цукор (глюкозу).
Як видно з вищевикладеного, фотосинтез постає досить складним і багатоступеневим явищем, що включає безліч реакцій, в яких задіюються різні речовини. В результаті природного синтезу виходить кисень, необхідний для дихання живих організмів і захисту їх від ультрафіолетової радіації за допомогою утворення озонового шару.
