Фотосинтез. Основные положения

Фотосинтез – это процесс создания в клетке органических веществ из неорганических с использованием энергии света
Справка: название процесса происходит от греческих слов φωτός – «свет» и σύνθεσις – «соединение, складывание, связывание»
Фотосинтез является основным способом создания органических веществ на Земле. А поскольку получение органических веществ путем их синтеза из неорганических называется автотрофным питанием, то фотосинтез является основным способом автотрофного питания в природе.
Далеко не все живые организмы способны осуществлять фотосинтез, поскольку этот процесс требует использования сложных белковых комплексов и многочисленных дополнительных компонентов, таких как пигменты, кофакторы и ионы металлов.

Большая часть фотосинтезирующих организмов – это бактерии. В первую очередь, это различные виды цианобактерий, которых прежде называли синезелеными водорослями.
Среди эукариотов к фотосинтезу способны только те, кто сумел в свое время вступить в симбиоз с цианобактериями. Симбиотические цианобактерии в ходе эволюции превратились в такие органоиды клетки, как хлоропласты.

Из эукариотов к фотосинтезу способны некоторые группы одноклеточных и единственное царство многоклеточных – Растения.
Фотосинтезирующие эукариоты:
Диатомовая водоросль
слева
Травянистое растение (папоротник)
справа
Дерево (клен)
внизу

Хлоропласт – двумембранный органоид клетки, выполняющий функцию фотосинтеза. Хлоропласт является потомком древних цианобактерий, когда-то захваченных предками эукариотических клеток, в процессе эволюции претерпевшим существенные изменения, направленные, прежде всего, на повышение эффективности его работы.

Именно в хлоропластах и происходит у эукариотов процесс фотосинтеза.
Суть процесса можно выразить уравнением:
Глюкоза
Углекислый газ
Вода
Кислород
То есть в процессе фотосинтеза происходит построение молекулы глюкозы из углекислого газа и воды с использованием энергии света. При этом одним из продуктов реакции является кислород.
Фотосинтез происходит в два этапа, поэтому принято говорить о двух фазах фотосинтеза: световой и темновой.
Свет

Световая фаза фотосинтеза называется так, потому что именно на этом этапе происходит поглощение хлоропластом света.
Для поглощения света используются специальные вещества – пигменты, важнейшим из которых является хлорофилл.
Хлорофилл- сложное органическое вещество из группы порфиринов. В его состав также входит ион магния.
Хлорофилл – зелёный пигмент. Именно он придает окраску листьям растений.
Хлорофилл поглощает красную и синюю части солнечного спектра, и энергия именно этих лучей используется в дальнейшем для фотосинтеза.

В световой фазе фотосинтеза энергия поглощенного хлорофиллом света передается белкам, находящимся во внутренней мембране хлоропласта. Эти белки используют полученную энергию для разрушения молекулы воды. Этот процесс называется фотолизом воды.
2Н2О 4Н+ + 4е- + О2
Вода разлагается на четыре иона водорода, четыре электрона, которым передается энергия света, и молекулу кислорода. Кислород выделяется в окружающую среду именно на этом этапе.
Важно отметить, что весь кислород, который присутствует в атмосфере Земли, был выделен туда бактериями и растениями в результате фотосинтеза. Именно поэтому леса и болота часто называют «легкими планеты».

Электроны, получившие дополнительную энергию в результате поглощения света, в течение световой фазы фотосинтеза теряют часть этой энергии, отдавая ее на синтез двух молекул АТФ.
В конце световой фазы эти электроны и ионы водорода передаются на специальные молекулы-переносчики, которые называются НАДФ.
4е-
Часть энергии
2АДФ + 2Ф = 2АТФ
2НАДФ + 4е- + 4Н+ = 2НАДФН2
4Н+
В итоге, поглощенная энергия света оказывается переданной на 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДФН2

Все процессы световой фазы фотосинтеза происходят на внутренней мембране хлоропласта, в основном, в структурах, которые называются гранами.
На рисунке показан тот же процесс для 2-х электронов.

Темновая фаза фотосинтеза протекает в строме хлоропласта. В темновой фазе из окружающей среды поглощается углекислый газ. Этот углекислый газ затем используется белками-ферментами для синтеза глюкозы.
Синтез глюкозы – процесс, требующий затрат энергии. Как источники энергии для темновой фазы используются молекулы АТФ и НАДН2, полученные в световой фазе.
6СО2
18АТФ 18АДФ + 18Ф
Энергия
+ 12НАДФН2
С6Н12О6
+ 6Н2О
12НАДФ
То есть в темновой фазе фотосинтеза происходит синтез глюкозы из углекислого газа с использованием энергии света, поглощенной в световой фазе.

Итоговое уравнение фотосинтеза будет выглядеть так:
6СО2 + 12Н2О С6Н12О6 + 6Н2О + 6О2
Свет
При сокращении воды в левой и правой части получим уже знакомое нам уравнение:
6СО2 + 6Н2О С6Н12О6 + 6О2
Свет
При этом стоит быть внимательным и помнить, что весь кислород, необходимый для синтеза глюкозы, получается исключительно из углекислого газа, а весь молекулярный кислород, выделяемый в результате фотосинтеза, берется исключительно из воды. После сокращения уравнения этот факт перестает быть очевидным.