Фотосинтез

ФОТОСИНТЕЗ, образование зелеными растениями и нек-рыми бактериями орг. в-в с использованием энергии солнечного света. Происходит при участии пигментов (у растений хлорофиллов). В основе Ф. лежат окислит.-восстановит. р-ции, в к-рых электроны переносятся от донора (напр., H₂O, H₂S) к акцептору (CO₂) с образованием восстановленных соед. (углеводов) и выделением O₂ (если донор электронов H₂O), S (если донор электронов, напр., H₂S) и др.

Ф.- один из самых распространенных процессов на Земле, обусловливает круговорот в природе углерода, O₂ и др. элементов. Он составляет материальную и энергетич. основу всего живого на планете. Ежегодно в результате Ф. в виде орг. в-ва связывается ок. 8·10¹⁰ т углерода, образуется до 10¹¹ т целлюлозы. Благодаря Ф. растения суши образуют ок. 1,8·10¹¹ т сухой биомассы в год; примерно такое же кол-во биомассы растений образуется ежегодно в Мировом океане. Тропич. лес вносит до 29% в общую продукцию Ф. суши, а вклад лесов всех типов составляет 68%. Ф. высших растений и водорослей - единственный источник атм. O₂.

Возникновение на Земле ок. 2,8 млрд. лет назад механизма окисления воды с образованием O₂ представляет собой важнейшее событие в биол. эволюции, сделавшее свет Солнца главным источником-своб. энергии биосферы, а воду - практически неограниченным источником водорода для синтеза в-в в живых организмах. В результате образовалась атмосфера совр. состава, O₂ стал доступным для окисления пищи (см. Дыхание), а это обусловило возникновение высокоорганизов. гетеротрофных организмов (применяют в качестве источника углерода экзогенные орг. в-ва).

Ок. 7% орг. продуктов Ф. человек использует в пищу, в качестве корма для животных, а также в виде топлива и строит. материала. Ископаемое топливо - тоже продукт Ф. Его потребление в кон. 20 в. примерно равно приросту биомассы.

Общее запасание энергии солнечного излучения в виде продуктов Ф. составляет ок. 1,6 · 10²¹ кДж в год, что примерно в 10 раз превышает совр. энергетич. потребление человечества. Примерно половина энергии солнечного излучения приходится на видимую область спектра (длина волны l от 400 до 700 нм), к-рая используется для Ф. (физиологически активная радиация, или ФАР). ИК излучение не пригодно для Ф. кислородвыделяющих организмов (высших растений и водорослей), но используется нек-рыми фотосинтезирующи-ми бактериями.

В связи с тем, что углеводы составляют осн. массу продуктов биосинтетич. деятельности растений, хим. ур-ние Ф. обычно записывают в виде:

Для этой р-ции 469,3 кДж/моль, понижение энтропии 30,3 Дж/(К·моль), -479 кДж/моль. Квантовый расход Ф. для одноклеточных водорослей в лаб. условиях составляет 8-12 квантов на молекулу CO₂. Утилизация при Ф. энергии солнечного излучения, достигающего земной пов-сти, составляет не более 0,1% всей ФАР. Наиб. продуктивные растения (напр., сахарный тростник) в среднем за год усваивают ок. 2% энергии падающего излучения, а зерновые культуры - до 1%. Обычно суммарная продуктивность Ф. ограничена содержанием CO₂ в атмосфере (0,03-0,04% по объему), интенсивностью света и т-рой. Зрелые листья шпината в атмосфере нормального состава при 25 ⁰C на свету насыщающей интенсивности (при солнечном освещении) дают неск. литров O₂ в час на грамм хлорофилла или на килограмм сухого веса. Для водорослей Chlorella pyrenoidosa при 35 ⁰C повышение концентрации CO₂ от 0,03 до 3% позволяет повысить выход O₂ в 5 раз, такая активация является предельной.

Бактериальный Ф. и общее ур-ние Ф. Наряду с Ф. высших растений и водорослей, сопровождаемым выделением O₂, в природе осуществляется бактериальный Ф., в к-ром окисляемым субстратом является не вода, а др. соединения, обладающие более выраженными восстановит. св-вами, напр. H₂S, SO₂. Кислород при бактериальном Ф. не выделяется, напр.:

Фотосинтезирующие бактерии способны использовать не только видимое, но и ближнее ИК излучение (до 1000 нм) в соответствии со спектрами поглощения преобладающих в них пигментов - бактериохлорофиллов. Бактериальный Ф. не имеет существенного значения в глобальном запасании солнечной энергии, но важен для понимания общих механизмов Ф. Кроме того, локально бескислородный Ф. может вносить существенный вклад в суммарную продуктивность планктона. Так, в Черном море кол-во хлорофилла и бактериохлорофил-ла в столбе воды в ряде мест приблизительно одинаково.

Учитывая данные о Ф. высших растений, водорослей и фотосинтезирующих бактерий, обобщенное ур-ние Ф. можно записать в виде:

А - кислород в случае высших растений и водорослей, S либо др. элементы - в бактериальном Ф.

Мол. механизм Ф. и структура фотосинтетич. аппарата.

С использованием изотопных меток показано, что источником O₂ в Ф. является только вода:

Ф. пространственно и во времени разделяется на два сравнительно обособленных процесса: световую стадию окисления воды и темновую стадию восстановления CO₂ (рис. 1). Обе эти стадии осуществляются у высших растений и водорослей в специализир. органеллах клетки - хлоропластах. Исключение - синезеленые водоросли (цианобактерии), у к-рых нет аппарата Ф., обособленного от цитоплазматич. мембран.

Хлоропласт, представляющий собой замкнутую структуру, отделенную от остальной части клетки оболочкой, заключает в себе весь фотосинтетич. аппарат. Световая стадия реализуется в мембранных структурах хлоропласта (т. наз. тилакои-дах), тогда как темновая стадия происходит в жидком содержимом хлоропласта (строме) при участии водорастворимых ферментов. У фотосинтезирующих бактерий хлоропласты отсутствуют, но световая стадия также осуществляется в мембранных образованиях - в т. наз. хроматофорах.

Световая стадия. Миним. функциональная единица, еще способная осуществлять световую стадию Ф.,- тилакоид. Он представляет собой микроскопич. плоский диск, образованный белковолипидными мембранами, в к-рых находятся пигменты. В эти мембраны встроены все компоненты, необходимые для окисления воды, восстановления кофермента никотинамиддинуклеотидфосфата (НАДФ) до НАДФН и синтеза АТФ из аденозиндифосфата. Световая стадия инициируется поглощением кванта света пигментами, организованными в спец. светособирающие комплексы. Среди пигментов преобладает хлорофилл а. К вспомогат. пигментам относятся хлорофилл b, каротиноиды и др. Наличие светособирающей структуры из неск. сотен или десятков молекул пигментов на каждый фотохимически активный (реакционный) центр на 2-3 порядка увеличивает сечение захвата излучения и обеспечивает возможность Ф. при слабом освещении.

Часть вспомогат. пигментов, спектрально наиб. близких к фотохимически активному хлорофиллу, непосредственно окружает каждый из реакционных центров, образуя т. наз. антенны.

Высокая эффективность переноса возбуждения от молекулы, поглотившей квант, к фотохим. центру определяется спектр. св-вами и структурной организацией пигментов светособирающего комплекса и антенны, окружающей фотохим. центр. Эти пигменты обеспечивают передачу возбуждения за время менее 100 пс в пределах времени жизни синглетно возбужденного состояния хлорофилла.

В реакц. центре Ф., куда почти со 100%-ной вероятностью переносится возбуждение, происходит первичная р-ция между фотохимически активной молекулой хлорофилла а (у бактерий - бактериохлорофилла) и первичным акцептором электрона (ПА). Дальнейшие р-ции в тилакоидных мембранах происходят между молекулами в их осн. состояниях и не требуют возбуждения светом. Эти р-ции организованы в электронтранспортную цепь - последовательность фиксированных в мембране переносчиков электрона. В электронтранс-портной цепи высших растений и водорослей содержится два фотохим. центра (фотосистемы), действующих последовательно (рис. 2), в бактериальной электронтранспортной цепи - один (рис. 3).

В фотосистеме II высших растений и водорослей синглетно возбужденный хлорофилл а в центре Р680 (число 680 обозначает, что максимум спектральных изменений системы при возбуждении светом находится вблизи 680 нм) отдает электрон через промежуточный акцептор к феофитину (ФЕО, безмагниевый аналог хлорофилла), образуя катион-радикал . Анион-радикал восстановленного феофитина служит далее донором электрона для связанного пластохинона (ПХ*; отличается от убихинонов заместителями в хиноидном кольце), координированного с ионом Fe³⁺ (в бактериях имеется аналогичный Fе³⁺-убихинонный комплекс). Далее электрон переносится по цепи, включающей свободный пластохинон (ПХ), присутствующий в избытке по отношению к остальным компонентам цепи, затем цитохромы (Ц) b₆ и f, образующие комплекс с железо-серным центром, через медьсодержащий белок пластоцианин (ПЦ; мол. м. 10400) к реакционному центру фотосистемы I.

Центры быстро восстанавливаются, принимая электрон через ряд промежут. переносчиков от воды. Образование O₂ требует последоват. четырехкратного возбуждения реакционного центра фотосистемы П и катализируется мембранным комплексом, содержащим Mn.

Хлорофилл a в фотосистеме I, имеющий максимум поглощения вблизи 700 нм (центр Р700), является первичным фотовозбуждаемым донором электрона, к-рый он отдает первичному акцептору (ПА; его природа однозначно не установлена), а затем, через ряд промежут. переносчиков (A_i) -растворимому белку ферредоксину (ФД), восстанавливающему с помощью фермента ферредоксин-НАДФ-редуктазы (ФНР) НАДФ до НАДФН. Катион-радикал окисленного пигмента восстанавливается пластоцианином.

В зрелых хлоропластах имеются граны (стопки тилакои-дов), в мембранах к-рых присутствуют все компоненты злек-тронтранспортной цепи, и т. наз. агранальные тилакоиды, не содержащие фотосистемы II.

Благодаря асимметрич. расположению компонентов электронтранспортной цепи относительно плоскости мембраны при разделении зарядов между хлорофиллом в каждом из двух фотосинтетич. центров и акцептором электрона на тилако-идной мембране создается разность электрич. потенциалов (плюс - на внутренней, минус - на внешней ее стороне). Перенос электрона пластохиноном сопровождается транспортом протонов, к-рые захватываются снаружи тилакоида при восстановлении пластохинона и освобождаются внутрь тилакоида при окислении пластогидрохинона. Перенос электронов сопряжен с синтезом АТФ из аденозиндифосфата (АДФ) и неорг. фосфата. Предполагают, что обратный транспорт протонов из тилакоидов в строму через белковый сопрягающий фактор (Н⁺-АТФ-синтетазу) сопровождается образованием АТФ.

Фотосистема I может действовать автономно без контакта с системой II. В этом случае циклич. перенос электрона (на схеме показан пунктиром) сопровождается синтезом АТФ, а не НАДФН. Образующиеся в световой стадии кофермент

НАДФН и АТФ используются в темновой стадии Ф., в ходе к-рой снова образуется НАДФ и АДФ.

Электронтранспортные цепи фотосинтезирующих бактерий в основных своих чертах аналогичны отдельным фрагментам таковых в хлорогшастах высших растений. На рис. 3 показана электронтранспортная цепь пурпурных бактерий.

Темновая стадия Ф. Все фотосинтезирующие организмы, выделяющие O₂, а также нек-рые фотосинтезирующие бактерии сначала восстанавливают CO₂ до фосфатов Сахаров в т. наз. цикле Калвина. У фотосинтезирующих бактерий встречаются, по-видимому, и др. механизмы. Большинство ферментов цикла Калвина находится в растворимом состоянии в строме хлоропластов.

Упрощенная схема цикла показана на рис. 4. Первая стадия - карбоксилирование рибулозо-1,5-дифосфата и гидролиз продукта с ооразованием двух молекул 3-фосфоглицериновой к-ты. Эта С₃-кислота фосфорили-руется АТФ с образованием 3-фос-фоглицероилфосфата, к-рый затем восстанавливается НАДФН до гли-церальдегид-3-фосфата. Полученный триозофосфат затем вступает в ряд р-ций изомеризации, конденсации и перегруппировок, дающих 3 молекулы рибулозо-5-фосфата. Последний фосфорилируется при участии АТФ с образованием риоу-лозо-1,5-дифосфата и, т. обр., цикл замыкается. Одна из 6 образующихся молекул глицеральдегид-3-фос-фата превращается в глюко-зо-6-фосфат и используется затем для синтеза крахмала либо выделяется из хлоропласта в цитоплазму. Глицеральдегид-3-фосфат может также превращаться в 3-глицеро-фосфат и затем в липиды. Триозофосфаты, поступающие из хлоропласта, превращаются в осн. в сахарозу, к-рая переносится из листа в др. части растения.

В одном полном обороте цикла Калвина расходуется 9 молекул АТФ и 6 молекул НАДФН для образования одной молекулы 3-фосфоглицериновой к-ты. Энергетич. эффективность цикла (отношение энергии фотонов, необходимых для фотосинтеза АТФ и НАДФН, к DG⁰ образования углевода из CO₂) с учетом действующих в строме хлоропласта концентраций субстратов составляет 83%. В самом цикле Калвина нет фотохим. стадий, но световые стадии могут косвенно влиять на него (в т. ч. и на р-ции, не требующие АТФ или НАДФН) через изменения концентраций ионов Mg²⁺ и H⁺, а также уровня восстановленности ферредоксина.

Нек-рые высшие растения, приспособившиеся к высокой интенсивности света и к теплому климату (напр., сахарный тростник, кукуруза), способны предварительно фиксировать CO₂ в дополнит. С₄-цикле. При этом CO₂ сначала включается в обмен четырехуглеродных дикарбоновых к-т, к-рые затем декарбоксилируются там, где локализован цикл Калвина. С₄-Цикл характерен для растений с особым анатомич. строением листа и разделением ф-ций между двумя типами клеток: мезофильных, где сосредоточено карбоксилирование фосфоенолиировиноградной к-ты, и клеток обкладки сосудистого пучка, где функционирует цикл Калвина. Образующаяся в С₄-цикле щавелевоуксусная кислота восстанавливается НАДФН до яблочной, к-рая перемещается в клетки сосудистой обкладки и здесь подвергается окислит, декарбоксили-рованию, образуя пировиноградную к-ту, CO₂ и НАДФН. Два последних используются в цикле Калвина, а пировиноградная к-та возвращается в С₄-цикл (рис. 5). Физиол. смысл С₄-цикла состоит в запасании CO₂ и повышении, т. обр., общей эффективности процесса.

Для кактусов, молочая и др. засухоустойчивых растений характерно частичное разделение фиксации CO₂ и Ф. во времени (САМ-обмен, или обмен по типу толстянковых; САМ сокр. от англ. Crassulaceae acid metabolism). Днем устьица (каналы, через к-рые осуществляется газообмен с атмосферой) закрываются, чтобы уменьшить испарение воды. При этом поступление CO₂ также затруднено. Ночью устьица открываются, происходит фиксация CO₂ в виде фосфоенол-пировиноградной к-ты с образованием С₄-кислот, к-рые днем декарбоксилируются, а освобождаемый при этом CO₂ включается в цикл Калвина (рис. 6).

Ф. галобактерий. Единственный известный в природе не-хлорофилльный способ запасания энергии света осуществляют бактерии Halobacterium halobium. Ha ярком свету при пониженной концентрации O₂ они образуют в своих мембранах пурпурный белок бактериородопсин. В результате индуцированной светом цис-транс-изомеризации ретиналя (хромофора этого пигмента) происходит поглощение H⁺ и синтез АТФ. Последний используется для частичного обеспечения энерге-тич. потребностей клетки.

Историческая справка. Ок. 1770 Дж. Пристли обнаружил, что растения выделяют O₂. В 1779 Я. Ингенхауз установил, что для этого необходим свет и что O₂ выделяют только зеленые части растений. Ж. Сенебье в 1782 показал, что для питания растений требуется CO₂; в нач. 19 в. H. Соссюр, исходя из закона сохранения массы, подтвердил, что большая часть массы растений создается из CO₂ и воды. В 1817 П. Пельтье и Ж. Каванту выделили зеленый пигмент хлорофилл. Позже К.А. Тимирязев показал близость спектра действия Ф. и спектра поглощения хлорофилла. Ю. Сакс в сер. 19 в., по-видимому, первым осознал, что этот продукт накапливается в хлоропластах, а Т.В. Энгельман доказал, что именно там же выделяется и O₂.

В работах Ф. Блэкмана (1905), P. Эмерсона и У. Арнолда (1932), а также P. Хилла (1936-41) показано наличие световой и темновой стадий Ф. и экспериментально реализована световая стадия в отсутствие CO₂ с использованием искусств. акцепторов электрона. Тем самым были получены подтверждения представлений об образовании O₂ путем окисления воды. Окончательно это было доказано масс-спектрометрич. методом (С. Рубен, M. Камен, а также А.П. Виноградов и Р.В. Тейс, 1941).

В 1935-41 К. Ван Ниль обобщил данные по Ф. высших растений и бактерий и предложил общее ур-ние, охватывающее все типы Ф. X. Гаффрон и К. Воль, а также Л. Дёйсенс в 1936-52 на основе количеств. измерений выхода продуктов Ф. поглощенного света и содержания хлорофилла сформулировали представление о "фотосинтетич. единице" - ансамбле молекул пигмента, осуществляющих светосбор и обслуживающих фотохим. центр.

В 40-50-х гг. M. Калвин, используя изотоп ¹⁴C, выявил механизм фиксации CO₂. Д. Арнон (1954) открыл фотофос-форилирование (инициируемый светом синтез АТФ из АДФ и H₃PO₄) и сформулировал концепцию электронного транспорта в мембранах хлоропластов. P. Эмерсон и Ч.M. Льюис (1942-43) обнаружили резкое снижение эффективности фотосинтеза при 700 нм (красное падение, или первый эффект Эмерсона), а в 1957 Эмерсон наблюдал неаддитивное усиление Ф. при добавлении света низкой интенсивности с 650 нм к дальнему красному свету (эффект усиления, или второй эффект Эмерсона). На этом основании в 60-х гг. сформулировано представление о последовательно действующих фотосистемах в электронтранспортной цепи Ф. с максимумами в спектрах действия вблизи 680 и 700 HM.

Осн. закономерности образования O₂ при окислении воды в Ф. установлены в работах Б. Кока и П. Жолио (1969-70). Близится к завершению выяснение мол. организации мембранного комплекса, катализирующего этот процесс. В 80-х гг. методом рентгеновского структурного анализа детально изучена структура отдельных компонентов фотосинтетич. аппарата, включая реакционные центры и светособирающие комплексы (И. Дайзенхофер, X. Михель, P. Хубер).

Лит.: Клейтон Р., Фотосинтеч. Физические механизмы и химические модели, пер. с англ., M., 1984; "Ж. Всес. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева", 1986, т. 31, № 6; Фотосинтез, под ред. Говинджи, пер. с англ., т. 1-2, M., 1987; Итоги науки и техники, сер. Биофизика, т. 20-22, M., 1987. М.Г. Голъдфелъд.