Энергетика и химизм фотосинтеза
Световая фаза фотосинтеза
В световой фазе молекулы пигментов поглощают фотоны, передают поглощенную энергию молекулам хлорофилла а, происходит трансформация энергии света в химическую энергию АТФ и восстановленного НАДФН2, выделяется кислород в результате фоторазложения воды. Все эти процессы происходят на мембранах тилакоидов гран хлоропластов.
Световая фаза фотосинтеза состоит из фотофизического и фотохимического этапов.
Фотофизический этап
Электрон представляет собой заряженную частицу, которая движется по орбите вокруг ядра атома. Электрон обладает спином, который отражает направление вращения электрона вокруг своей оси. В стабильном состоянии валентные электроны занимают самые низкие энергетические уровни и распределены по ним согласно принципу Паули: два электрона с антипараллельными спинами на каждой орбитали - основное синглетное состояние S0.
Свет представляет собой поток квантов (порций) энергии. Энергия света, переносимая квантом
Е = hν = hс / λ ,
h — постоянная М. Планка, равная 6, 26196 .10-34 Дж/с;
ν — частота колебаний данной световой волны;
С — скорость света в вакууме (3 108 м/с);
λ— длина волны.
Видно, что квант света обладает энергией, пропорциональной его частоте и обратно пропорциональной длине волны.
При поглощении молекулой пигмента фотона электрон переходит на более высокую орбиталь за счет его энергии. Если у возбужденного электрона сохраняется спин - это синглетное возбужденное состояние S*. Если возбужденный электрон меняет спин, то такое возбужденное состояние называется триплетным Т* (Рис.19).
|
|
|
Рисунок 19. – Схема фотофизического этапа фотосинтеза.
Поглощение молекулой хлорофилла кванта красного света приводит к синглетному возбужденному состоянию S1. При поглощении кванта синего света с более высоким уровнем энергии электрон переходит на более высокую орбиталь S2. Время жизни электрона на S2 составляет 10-12 секунды. За такое короткое время энергия электронного возбуждения не может быть использована и электрон возвращается на S1, потеряв немного энергии в виде тепла. Время жизни электрона в состоянии S1 равно 10-9 – 10-8. Если молекула пигмента не участвует в фотохимической реакции, то электрон возвращается в стабильное состояние. При этом часть энергии теряется в виде тепла и излучается квант света с большей по сравнению с поглощенным фотоном длиной волны – явление флуоресценции.
Время жизни электрона в состоянии Т равно 10-4-10-2 секунды. Из триплетного возбужденного состояния ē может вернуться в стабильное состояние, излучив кроме тепла еще более длинноволновый, чем при флуоресценции, квант света. Это слабое свечение называют фосфоресценцией. Если ē в возбужденном состоянии участвует в фотохимических реакциях с передачей электрона акцептору, то флуоресценции и фосфоресценции не происходит (Рис. 20).
|
|
|
Рисунок 20. – Строение светособирающего комплекса.
Молекулы пигментов обладают способностью не только поглощать, но и передавать энергию света. Передача энергии между молекулами пигментов идет резонансным путем, без разделения зарядов с большой скоростью. Совокупность молекул пигментов, воспринимающих энергию света и передающих ее на реакционный центр называется антенным, или светособирательным комплексом (ССК). Реакционный центр представляетособую пару (димер) молекул хлорофилла а, которая связанна с первичным акцептором электронов ЭТЦ. Реакционный центрхарактеризуется поглощением в наиболее длинноволновой части солнечного спектра и выполняют роль ловушки энергии ССК. В реакционных центрах энергия возбужденного состояния электронов преобразуется в энергию разделенных зарядов, т.е. превращается в химическую.
Совокупность светособирающего комплекса (ССК), фотохимического реакционного центра и связанных с ним молекул-переносчиков электронов (ЭТЦ) составляет фотосистему.
|
|
|
Передача энергии от одной молекулы пигмента к другой идет с большой эффективностью (от хлорофилла b к хлорофиллу а — 90%, от каротиноидов к хлорофиллу— 40%). Обратный перенос энергии невозможен.
В процессе фотосинтеза принимают участие две фотосистемы. В 1957 г Р. Эмерсон установил, что эффективность света с длиной волны 680—700 нм может быть значительно повышена добавлением света с более 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 явление называют эффектом усиления или эффектом Эмерсона.
Установлено, что первая фотосистема у высших растений включает 200 молекул хлорофилла а, 50 молекул каротиноидов и 1 молекулу хлорофилла а (хлорофилл-ловушка), поглощающую свет с длиной волны l700 нм (П700). Вторая фотосистема включает 200 молекул хлорофилла а, 200 молекул хлорофилла b и 1 молекулу хлорофилла а, поглощающую свет с длиной волны l 680 нм (П680). Свет поглощается раздельно этими двумя фотосистемами и нормальное осуществление фотосинтеза требует их одновременного участия.
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 1077; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!