Типы ассимиляции углерода

Анализ органического вещества показывает, что оно состоит на 45% из углерода. Именно поэтому вопрос об источнике питания организмов углеродом чрезвычайно важен. Все организмы можно разделить на автотрофные и гетеротрофные. Первичные организмы нашей планеты были гетеротрофами. Их последующая эволюция стала возможной благодаря тому, что часть из них приобрела ряд мутаций, которые обусловили появление автотрофных организмов и в первую очередь фотосинтетиков. Именно они в дальнейшем во многом предопределили эволюционную стратегию всего живого на Земле. Автотрофные организмы характеризуются способностью синтезировать органическое вещество из неорганических соединений. Гетеротрофные организмы строят органическое вещество своего тела из уже имеющихся готовых органических соединений, только перестраивая их. Иначе говоря, гетеротрофные организмы живут за счет автотрофных. Для того чтобы осуществить синтез органического вещества, необходима энергия. В зависимости от используемого соединения, а также от источников энергии различают следующие основные типы питания углеродом и построения органических веществ.

Давайте представим это в виде таблицы.

Тип питания	Источник углерода	Источник водорода	Источник энергии
гетеротрофный	Органическое вещество	Органическое вещество	Органическое вещество
Автотрофный 1. Фотосинтез	СО2	Н2О	Энергия квантов света
2. Бактериальный фотосинтез	СО2	Н2S, Н2	Энергия квантов света
3. Хемосинтез	СО2	Н2О, Н2S, NH3, Н2	Энергия химических связей

Зеленые растения как все живые организмы получают энергию, окисляя углеводы и другие органические вещества в процессе дыхания. Однако в отличие от большинства организмов зеленые растения из неорганических с помощью световой энергии. Этот процесс называют фотосинтезом. Уникальность этого процесса состоит в том, что световая энергия превращается в химическую, а выделяемый кислород используется на дыхании, в том числе и самих зеленых растений. Датой открытия считают 1771-1772 гг. Д. Пристли обнаружил, что зеленое растение «исправляет» воздух.

Общее уравнение фотосинтеза выглядит следующим образом:

6СО₂ + 6Н₂О свет С₆Н₁₂О₆ +6О₂

его составил на основании опытов ряда ученых и своих экспериментов Ж. Буссенго в 1840. А доказательство перехода и запасания энергии в химических связях предоставил К.А. Тимирязев. Появление фотосинтеза на нашей планете по своей значимости можно сравнить лишь с самим зарождением жизни, поэтому не случайно основоположник учения о фотосинтезе К.А. Тимирязев говорил о его глобальной (космической) роли для всего живого, эта идея была развита в работах В.И. Вернадского (учение о биосфере).

Фотосинтез осуществляется различными группами автотрофных организмов: высшими растениями, красными и бурыми водорослями, цианобактериями, зелеными и пурпурными бактериями. У высших растений фотосинтезирующий орган – лист.

В процессе фотосинтеза происходят превращения вещества и энергии. Таким образом, мы можем дать следующие определения фотосинтеза. С общей точке зрения фотосинтез – процесс образования органического вещества из неорганического при помощи световой энергии. С энергетической точки зрения - фотосинтез процесс поэтапной стабилизации внешней неустойчивой энергии квантов света во внутреннюю устойчивую энергию химических связей органических веществ, через промежуточные формы энергии: энергию электрона, DрН, ~АТФ, НАДФН₂.

С биохимической точки зрения – фотосинтез биохимический процесс превращения устойчивых молекул неорганических веществ СО₂ и Н₂О в молекулы органических веществ – углеводов.

Какова же роль процесса фотосинтеза и зеленых растений?

1. Накопление органической массы. 155 млрд. т. органических веществ или 95% от общего количества ежегодно образуется зелеными растениями, при этом он усваивают 200 млрд. т. СО₂ и выделяют примерно 145 млрд.т. О_2.

 

2. Обеспечение постоянства содержания СО₂ в воздухе. Связывание СО₂ в ходе фотосинтеза в значительной мере компенсирует его выделение в результате других процессов (дыхание, брожение, деятельность вулканов, производственная деятельность человечества).

3. Препятствие развитию парникового эффекта. Часть солнечного света отражается от поверхности Земли в виде тепловых инфракрасных лучей. СО₂ поглощает инфракрасное излучение и тем самым сохраняет тепло на Земле. Повышение содержания СО₂ в атмосфере может способствовать увеличению температуры, то есть создавать парниковый эффект. Это приведет к затоплению прибрежных зон из-за поднятия уровня мирового океана в результате таяния ледников в горах и на полюсах. Однако высокое содержание СО₂ в воздухе активирует фотосинтез и, следовательно, концентрация СО₂ в воздухе опять уменьшится.

4. Накопление кислорода в атмосфере. Первоначально в атмосфере Земли кислорода было очень мало. Сейчас его содержание составляет 21 % по объему воздуха. В основном, этот кислород является продуктом фотосинтеза. Ежегодно растения и другие фотосинтезирующие организмы поставляют в атмосферу примерно 120 млрд. тонн кислорода. Почти весь кислород воздуха образовался в результате фотосинтеза древних анаэробных автотрофных организмов. Современные зеленые растения выделяют днем в 20-30 раз больше кислорода. Чем тратят на дыхание в течение суток.

5. Озоновый экран. Озон (О₃) образуется в результате фотодиссоциации молекул кислорода под действием солнечной радиации на высоте около 25 км. Озон задерживает большую часть ультрафиолетовых лучей, губительных для всего живого.

Процесс фотосинтеза уникален не только в аспекте своей глобальной значимости для всего живого, но и в аспекте сложности, выделим ряд особенностей этого процесса:

1. В процессе фотосинтеза происходит перевод внешней энергии окружающей среды во внутреннюю энергию биологической системы.

2. Большая разнокачественность форм энергии – начальной и конечной по времени жизни. Крайне неустойчивая энергия света и очень устойчивая энергия химических связей органических веществ.

3. Поэтапность стабилизации энергии, которая позволяет получить новое качество. Энергия химических связей может долго храниться и постепенно использоваться.

4. При многократных энергетических переходах значительная часть энергии теряется (законы термодинамики). Эта одна из причин того, что КПД фотосинтеза очень мал – около 1%.

5. Промежуточные формы энергии по времени жизни занимают промежуточное положение (особенно DрН, ~АТФ) могут непосредственно использоваться на работу.

6. Многоступенчатость энергетических преобразований предполагает достаточно сложную организацию фотосинтетического аппарата – хлоропластов.

7. Энергетические преобразования могут осуществляться особыми молекулами – металлопорфиринами.

8. Условно процесс фотосинтеза разделяют на две фазы – световую и темновую фазы.

9. Световая фаза включает два этапа – фотофизический в котором происходят первые преобразования световой энергии в энергию электронов хлорофилла, фотохимический заключается в движении электрона по электронтранспортной цепи, локализованной на мембране тилакоидов, в результате чего создается разность потенциалов, позволяющая синтезировать АТФ.

10. Непосредственно образование органических веществ идет в темновую фазу, которая представлена одним – биохимическим этапом – циклом Кальвина, в результате чего образуется глюкоза.

11. Процесс фотосинтеза является прерывистым, он не идет ночью и зимой.

 

Пигменты процесса фотосинтеза

Для того чтобы свет мог оказывать влияние на растительный организм и, в частности, быть использованным в процессе фотосинтеза, необходимо его поглощение фоторецепторами-пигментами. Пигменты — это окрашенные вещества. Пигменты поглощают свет определенной длины волны. Непоглощенные участки солнечного спектра отражаются, что и обусловливает окраску пигментов. Так, зеленый пигмент хлорофилл поглощает красные и синие лучи, тогда как зеленые лучи в основном отражаются. Видимая часть солнечного спектра включает длины волн от 400 до 700 нм.

Вещества, поглощающие весь видимый участок спектра, кажутся черными. Пигменты, сконцентрированные в пластидах, можно разделить на три группы: хлорофиллы, фикобилины, каротиноиды.

Важнейшую роль в процессе фотосинтеза играют зеленые пигменты— хлорофиллы.

(от греч. хлорос — зеленый и филлон — лист). В настоящее время известно около десяти хлорофиллов. Они отличаются по химическому строению, окраске, распространению среди живых организмов. У всех высших зеленых растений содержатся хлорофиллы а и б. Хлорофилл с содержится в диатомовых водорослях, хлорофилл d — в красных-водорослях. Кроме того, известны четыре бактериохлорофилла (а, б, с и d), содержащиеся в клетках фотосинтезирующих бактерий. В клетках зеленых бактерий содержатся бактериохлорофиллы с и d, в клетках пурпурных бактерий — бактериохлорофиллы а и б. Основными пигментами, без которых фотосинтез не идет, являются хлорофилл а для зеленых растений и бактериохлорофиллы для бактерий.

По химическому строению хлорофиллы — сложные эфиры дикарбоновой органической кислоты — хлорофиллина и двух остатков спиртов — фитола и метилового. Эмпирическая формула — С₅₅Н₇₂О₅N₄Mg.

Хлорофиллин представляет собой азотсодержащее металлорганическое соединение, относящееся к магнийпорфиринам

В хлорофилле водород карбоксильных групп замещен остатками двух спиртов — метилового СН₃ОН и фитола С_2оН₃₉ОН.

В центре молекулы хлорофилла расположен атом магния, который соединен с четырьмя атомами азота пиррольных группировок.

В пиррольных группировках хлорофилла имеется система чередующихся двойных и простых связей. Это и есть хромофорная группа хлорофилла, обусловливающая поглощение определенных лучей солнечного спектра и его окраску. Диаметр порфиринового ядра составляет 10 нм, а длина фитольного остатка — 2 нм.

Молекула хлорофилла полярна, ее порфириновое ядро обладает гидрофильными свойствами, а фитольный конец — гидрофобными. Это свойство молекулы хлорофилла обусловливает определенное расположение ее в мембранах лоропластов. Порфириновая часть молекулы связана с белком, а фитольная цепь погружена в липидный слой.

Хлорофилл в живой интактной клетке обладает способностью к обратимому фотоокислению и фотовосстановлению. Способность к окислительно-восстановительным реакциям связана с наличием в молекуле хлорофилла сопряженных двойных связей с подвижными π-электронами и атомов азота с неподеленными электронами.

Азот пиррольных ядер может окисляться (отдавать электрон) или восстанавливаться (присоединять электрон).

Хлорофиллы хорошо растворимы в органических растворителях (этиловом эфире, бензоле, хлороформе, ацетоне, этиловом спирте) и нерастворимы в воде. Хлорофиллы имеют максимумы поглощения света в красной и синей частях спектра. Растворы хлорофиллов обладают флуоресценцией и фосфоресценцией.

 

Каротиноиды – жирорастворимые пигменты, присутствующие в хлоропластах всех растений. Они входят в состав хромопластов в незеленых частях растений, например, корнеплодов моркови. К каротиноидам относят 3 группы соединений: 1) оранжевые или красные каротины, 2) желтые ксантофиллы, 3) каротиноидные кислоты. Каротины и ксантофиллы состоят из 8 остатков изопрена, которые образуют цепь конъюгированных двойных связей (рис. 5.2). Основные каротиноиды - b-каротин, лютеин, виолаксантин и неоксантин.

Рис. 5.2. Структурные формулы каротиноидов и последовательность их превращений (по В. В. Полевому).

 

Каротины и ксантофиллы растворимы в хлороформе, бензоле, сероуглероде, ацетоне. Каротины хорошо растворяются в эфирах, но плохо в спиртах, а ксантофиллы наоборот. Каротиноиды имеют максимумы поглощения в фиолетово-синей и синей частях спектра света. Они не способны к флуоресценции.

Главные функции каротиноидов: поглощение света в качестве дополнительных пигментов, защита молекул хлорофиллов от необратимого фотоокисления, тушение активных радикалов, участие в фототропизме, так как способствуют определению направления роста побега.

5.1.3. Фикобилины

Сине-зеленые и красные водоросли помимо хлорофилла а и каротиноидов содержат пигменты фикобилины. Их молекула состоит из 4 последовательных пиррольных колец (рис. 5.3). Фикобилины являются хромофорными группами глобулиновых белков фикобилипротеинов. Они делятся на 3 группы: 1) фикоэритрины – белки красного цвета, 2) фикоцианины – сине-голубые белки и 3) аллофикоцианины – синие белки. Все они обладают флуоресценцией и растворимы в воде.

Рис. 5.3. Структурные формулы фикобилинов (по В. В. Полевому).

 

Фикобилины имеют максимумы поглощения в оранжевой, желтой и зеленой частях спектра света. Это позволяет водорослям полнее использовать свет, проникающий в воду. Вода обладает светопоглощающей способностью. На глубине около 30 м полностью исчезают красные лучи, около 180 м – желтые, 320 м – зеленые, а на глубину более 500 м не проникают синие и фиолетовые лучи. Фикобилины – это дополнительные пигменты, участвующие в светособирающем комплексе. Около 90 % энергии света, поглощенного фикобилинами, передается на хлорофилл а. У растений имеется фикобилин фитохром. Он не участвует в фотосинтезе, но является фоторецептором красного и дальнего красного света и выполняет регуляторные функции в клетках растений.

Давайте теперь охарактеризуем этапы фотосинтеза.

Фотофизический этап по значимости является наиболее важным, так как осуществляет переход и преобразование энергии одной системы (неживой) в другую систему (живую). Фотофизический этап начинается с поглощения квантов света электронами атомов, входящих в состав пигментов. В первую очередь кванты света будут поглощаться наиболее подвижными электронами в молекуле хлорофилла – т.е. теми, которые слабее удерживаются ядром, такими подвижными электронами в молекуле хлорофилла являются делокализованные p-электроны двойных связей, орбитали которых обобщены между двумя ядрами и не спаренные электроны атомов азота и кислорода в порфириновом ядре. Именно с этим связано то, что молекулы хлорофилла имеют две основные линии поглощения.

Из возбужденного, первого синглетного и триплетного состояния молекула хлорофилла также может переходить в основное. При этом ее -дезактивация (потеря энергии) может проходить: 1) путем выделения энергии в виде света (флуоресценция и фосфоресценция1) или в виде тепла; 2) путем переноса энергии на другую молекулу пигмента; 3) путем затрачивания энергии на фотохимические процессы (потеря электрона и присоединение его к акцептору, образование АТФ и НАДФ-Н2) (рис. 44). В любом из указанных случаев молекула пигмента дезактивируется и переходит

на основной энергетический уровень. Энергия, испускаемая в виде флуоресценции или в виде теплоты, не может быть использована.

Рассмотрение энергетических состояний молекулы хлорофилла и различных путей использования энергии электронного возбуждения позволяет констатировать, что Mg-порфирины одновременно обладают способностью поглощать и сохранять энергию в виде энергии электронного возбуждения и способностью к окислительно-восстановительным изменениям. Возбужденная молекула хлорофилла – мощный восстановительный агент, играющий решающую роль в образовании высоковосстановленных кофакторов в реакциях фотосинтеза.

В настоящее время показано, что хлорофилл имеет две функции — поглощение и передачу энергии. При этом основная часть молекул хлорофилла (светособирающий комплекс — ССК) только поглощает свет и переносит энергию возбуждения на особые молекулы хлорофилла, которые непосредственно участвуют в фотохимическом процессе. Такое устройство позволяет значительно полнее использовать энергию света. Энергия квантов света улавливается 200—400 молекулами антенного хлорофилла ССК и как бы стекается к одной, особой его молекуле, являющейся ловушкой и входящей в реакционный центр. В улавливании и передаче энергии на молекулу хлорофилла-ловушки могут участвовать не только молекулы хлорофилла, но и каротиноиды и фикобилины.

Передача энергии между молекулами пигментов идет главным образом резонансным путем, без разделения зарядов с большой скоростью.

Перенос энергии происходит только от пигментов, поглащающих свет с меньшей длиной волны, к пигментам, поглощающим свет с большей длиной волны.

Хотя передача энергии 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. Потеря энергии приводит к превращению квантов в более мелкие (с большей длиной волны). Именно поэтому основные формы хлорофилла, к которым стекается энергия, являются более длинноволновыми (хлорофиллы П680 и П700)- Обратный перенос энергии невозможен. Таким образом, в первичных процессах фотосинтеза, связанных с поглощением молекулой хлорофилла кванта света, важную роль играют процессы передачи энергии. Фотофизический этап фотосинтеза и заключается в том, что кванты света поглощаются и переводят молекулы пигментов в возбужденное состояние. Затем эта энергия переносится на хлорофилл-ловушку, входящую в реакционный центр, осуществляющий первичные фотохимические реакции: разделение зарядов.

Дальнейшее превращение энергии света в химическую энергию проходит ряд этапов, начиная с окислительно-восстановительных

превращений хлорофилла и включая как фотохимические (световые), так и энзиматические (темновые) реакции.

Фотохимические реакции фотосинтеза — это реакции, в которых энергия света преобразуется в энергию химических связей, и в пер-

вую очередь в энергию фосфорных связей АТФ. Именно АТФ является энергетической валютой клетки, обеспечивающей течение всех

процессов. Одновременно под действием света происходит разложение воды, образуется восстановленный НАДФ и выделяется, кисло-

род. Энергия поглощенных квантов света стекается от сотен молекул пигментов ССК к одной, характеризующейся поглощением в наиболее

длинноволновой части солнечного спектра. Молекула хлорофилла-ловушки, отдавая электрон акцептору, окисляется. Электрон посту-

пает в электронно-транспортную цепь. Предполагается, что ССК состоит из трех частей: главного антенного компонента и двух фо-

кусирующих, расположенных в двух фотосистемах . Комплекс антенного хлорофилла погружен в толщу мембраны тилакоидов хлоропластов. Совокупность светофокусирующих (антенных) молекул пигментов и реакционного центра составляет фотосистему. Реакционный центр включает хлорофилл-ловушку а и первичный акцептор электронов.

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 бо-

лее короткой длиной волны (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 яв-

ление называют эффектом усиления или эффектом Эмерсона. Был сделан вывод, что необходимо одновременное световое возбужде-

ние пигментов, различающихся по спектру поглощения. Именно это и привело к понятию о существовании двух фотосистем. Интересно,

что эффект усиления наблюдается при изучении фотосинтеза у выс-

ших растений и водорослей. У бактерий этот эффект отсутствует и, соответственно, в процессе фотосинтеза участвует одна фотосистема. Установлено, что фотосистема I включает светофокусирующие пигменты и реакционный центр I, фотосистема II включает светофокусирующие пигменты и реакционный центр II. Хлорофилл-ловушка фотосистемы I поглощает свет с длиной волны 700 нм (П700), хлорофилл-ловушка фотосистемы II поглощает свет с длиной волны 680 нм (П700). По-видимому, свет поглощается раздельно этими двумя фотосистемами и нормальное осуществление фотосинтеза требует их одновременного участия.

Перенос по цепи переносчиков включает ряд окислительно-восстановительных реакций.

 

Важно заметить, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос либо атома водорода, либо электрона.

Различают два типа потока электронов — циклический и нециклический. 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. Выделяемая в ходе окислительно-восстановительных реакций энергия частично используется на синтез АТФ. Процесс преобразования энергии света в энергию АТФ получил название фотосинтетического фосфорилирования (Д. Арнон). Соответственно двум типам потока электронов различают циклическое и нециклическое фотофосфорилирование.

Нециклическое и циклическое фотосинтетическое фосфорилирование принято включать в световую фазу фотосинтеза, однако свет необходим только на первых этапах этих процессов.

Особенности нециклического фосфорилирования:

1. Участие двух фотосистем

2. Нециклический транспорт электронов от воды к НАДФ

3. Образование двух энергетических эквивалентных АТФ и НАДФН₂, которые используются в темновой фазе фотосинтеза

4. Происходит фотоокисление воды и выделение кислорода и образуется вода.

 

Схема нециклического фосфорилирования:

Электрон в молекуле П700 переходит на более высокий энергетический уровень (Si). В основном состоянии окислительно-восстановительный потенциал П700 составляет +0,43 В. Следовательно, тенденция к потере электрона (окислению) выражена очень слабо. Однако при поглощении кванта света молекула П700 переходит в возбужденное состояние и ее окислительно-восстановительный потенциал изменяется до —0,80 В. Поэтому в возбужденном состоянии молекула П70о легко отдает электрон (фотохимическая реакция). Энергия

света изменяет распределение электронов в кольце молекулы хлорофилла 700 и делает один электрон доступным для переноса. При этом энергия квантов сначала переходит в энергию электронного возбуждения, а .затем в энергию разделения зарядов. Так, отдавая электрон, молекула П700 окисляется и остается в виде положительно заряженной молекулы

Хл + hv -> Хл*, Хл* ® (Хл)⁺ + e^-,

где Хл* — возбужденная форма хлорофилла, (Хл)⁺— окисленная

форма хлорофилла.

Электрон с первого переносчика передвигается по направлению

к НАДФ через ряд переносчиков, расположенных в порядке воз-

растания О/В потенциала. Электроны спонтанно текут в сторону

менее отрицательного окислительно-восстановительного потенциала.

Переносчик, воспринимающий электрон от П7оо (неидентифициро-

ванный), передает электрон на железосерные белки/

Следующим переносчиком является железосодержащий белок

 

 

ФС1 поглощает кванты света, энергия которых стекается к ХЛ 700. Его электроны переходят из S₀ в S₁ и далее передаются по ЭТЦ: переносчик Z, ферредоксин, от него на НАДФ.

Работа второй ФС начинается с поглощения квантов света, энергия стекается к ХЛ680. затем электрон передается переносчику QC₅₅₀ затем на пластохинон, для восстановления которого нужны не только электроны, но и протоны, которые берутся из внешней среды. Затем электрон передается на цитохромы, не нужные протоны водорода выбрасываются, затем переносчик уf, конечный переносчик – пластоцианин. Для заполнения дырки вместо электрона в хл 680 электрон поступает из воды, при этом происходит ее фотоокисление и выделение кислорода.

При переносе электронов создается разность потенциалов, там где она достаточна синтезируется АТФ.

Циклическое фосфорилирование:

1. Циклический транспорт электронов

2. Участие только одной фс1

3. Энергия запасается только в виде АТФ

Начинается оно также как и нециклическое, но на уровне ферредоксина через переносчиков цит, уf вновь возвращаются к молекуле ХЛ 700. При переносе электронов создается разность потенциалов, там где она достаточна синтезируется АТФ.