Освіта кисню при фотосинтезі. Дихання та фотосинтез рослин. Фотосинтез: де та як це відбувається

У світлі сучасних даних можна зробити таке визначення дихання: дихання – це сукупність координованих екзоергічних ОВ реакцій, що послідовно відбуваються, що ведуть до їх фіксування в багатих енергією зв'язках АТФ, використовуваних клітиною для виконання роботи.

Як і фотосинтез, дихання складається з окремих груп реакцій, що послідовно відбуваються. У вищих рослин, наприклад, можна виділити щонайменше дві фази: анаеробну (гліколіз) і аеробну (цикл Кребса, пентозофосфатний окисний цикл).

Вуглекислий газ утворюється за рахунок декарбоксилювання органічних кислот. Вуглець дихального субстрату не з'єднується безпосередньо з киснем повітря. Кисень повітря потрібний як акцептор електронів, що транспортуються від відновлених коферментів, донорів електронів та протонів. Місце утворення АТФ – сполучені мембрани христ у мітохондріях (і, ймовірно, мікротрубочки в цитоплазмі).

Дихання – постачальник енергії, головним чином формі АТФ. Для гетеротрофних органів (коріння, бульби, незелені частини стебла та інших. органів) дихання – єдиний постачальник енергії. У зелених клітинах, як ми вже казали, АТФ утворюється ще й у процесі фотосинтезу.

Дихання є водночас і джерелом проміжних речовин для різних синтезів (рис. 3.9).

Так піруват використовується для синтезу аланіну, ацетил-СоА, малат беруть участь у синтезі сахарози. У свою чергу ацетил-СОА служить важливим вихідним продуктом для синтезу багатьох речовин, таких як жирні кислоти, стероїди, АБК та ін.

До молекул гліцерину, що утворюються в процесі гліколізу, можуть приєднатися три залишки жирних кислот і з'являтися жири; якщо до гліцерину приєднуються дві жирні кислоти та одна фосфорильована сполука утворюються фосфоліпіди – важливі компоненти біологічних мембран. Отже, можна назвати, що дихання – це центральний процес обміну речовин.

Мал. 3.9. Проміжні продукти перетворень при окисленні вуглеводів у процесі дихання

Дихання регулятор різних процесів. Регуляторна роль дихання добре видно з прикладу проростання насіння. Спочатку при поглинанні води активується дихання, а вже потім насіння починає рости. Для їхнього зростання необхідний будівельний матеріал – органічні речовини, а для їх синтезу – АТФ та відновлені коферменти. Інтенсивність дихання проростаючого насіння в сотні разів більша, ніж у тих, хто покоїться.

Концентрація АТФ та інших макроергічних сполук впливає на швидкість біосинтезу різних речовин. Чим більший вміст ацетил СоА, тим швидше може йти синтез жирів. Існує тісний зв'язок між активністю дихальних ферментів (наприклад, цитохромоксидаза) та синтезом хлорофілу.

У зелених клітинах одночасно відбувається фотосинтез та дихання. Порівняння сумарних виразів цих двох процесів:

показує, що є протилежними (табл.3.2).

Таблиця 3.2. Характерні риси процесів фотосинтезу та дихання

Однак насправді між цими двома процесами багато спільного.

Функції хлоропластів та мітохондрій тісно пов'язані. Наприклад, кисень, що виділяється в ході фотосинтезу, використовується при диханні, доля 2 для обох процесів прямо протилежна долі Про 2 .

Крім того, в обох органелах потік електронів пов'язаний з утворенням АТФ з тією різницею, що в мітохондріях електрони переносяться від відновлених піридиннуклеотидів на кисень, тоді як у хлоропластах потік електронів спрямований у протилежний бік.

Окисне фосфорилювання, що відбувається в мітохондріях, є головним постачальником АТФ для клітин незелених частин рослин (завжди), а вночі і для фотосинтезуючих тканин.

Дихання та фотосинтез мають однакові проміжні продукти: ФГК, ФГА, рибулоза, ПВК, ФЕП, малат та ін. Це говорить про можливість перемикання з одного процесу на інший. І дихання, і фотосинтез - це процеси і окислювальні, і відновлювальні, і розпаду, і синтезу. Обов'язковим учасником обох процесів є вода. При фотосинтезі вона служить донором водню відновлення НАДФ + , а при диханні окислення речовин може відбуватися з допомогою кисню води. Недарма У. І. Палладін назвав подих «мокрим горінням».

За всієї спільності ці процеси мають і відмінності. При фотосинтезі АТФ синтезується за рахунок поглинання енергії світла (фотосинтетичне фосфорилювання), при диханні – за рахунок енергії, що звільнилася при окисленні тих чи інших запасених речовин (субстратне та окисне фосфорилювання). Кінцеві продукти фотосинтезу, наприклад, вуглеводи, є дихальним субстратом, тобто сполуками з яких починається дихання. Мітохондріальний АТФ витрачається на реакції, що відбуваються у різних частинах клітини; АТФ, синтезований в хлоропластах, призначений головним чином для процесів, що відбуваються в них самих. Дихання певною мірою виступає як дублер фотосинтезу: поповнює фонд АТФ та проміжних речовин. При диханні скорочення вуглецевого ланцюга відбувається в результаті декарбоксилювання речовин, а для фотосинтезу характерна зворотна реакція - карбоксилювання.

Фотосинтез – процес унікальний, локалізований у хлоропластах; дихання, навпаки, процес універсальний. Їм володіють, за винятком невеликої групи анаеробів, всі організми, що населяють Землю; воно властиве будь-якому органу, будь-якій тканині, кожній живій клітині. Фізіолого-біохімічні механізми дихання є загальними у рослин, тварин, одно- та багатоклітинних організмів. Це вкотре підтверджує думку про те, що життя при всій різноманітності будується на невеликій кількості принципів.

Ще раз наголосимо на єдності походження органічного світу. Гліколіз – анаеробний процес, який філогенічним, ймовірно, був першим постачальником енергії для клітини. Фотосинтез, який з'явився в пізній еволюції, збагатив атмосферу киснем, і стало можливим аеробне дихання (цикл Кребса). Пентозофосфатний окисний цикл, що йде в умовах великої кількості кисню, міг з'явитися ще пізніше. Гліколіз йде в гіалоплазмі та каріоплазмі, для фотосинтезу та дихання потрібні мембрани. Таким чином, ускладнення будови клітини відбувалося одночасно з еволюцією способів видобутку енергії.

Фотосинтез – це процес, від якого залежить все життя Землі. Він відбувається лише у рослинах. У ході фотосинтезу рослина виробляє з неорганічних речовин необхідні для живого органічні речовини. Діоксид вуглецю, що міститься в повітрі, проникає в лист через особливі отвори в епідермісі листа, які називають продихами; вода і мінеральні речовини надходять із ґрунту в коріння і звідси транспортуються до листя за провідною системою рослини. Енергію, необхідну синтезу органічних речовин з неорганічних, поставляє Сонце; ця енергія поглинається пігментами рослин, головним чином хлорофілом. У клітині синтез органічних речовин протікає у хлоропластах, що містять хлорофіл. Вільний кисень, що також утворюється у процесі фотосинтезу, виділяється в атмосферу.

В основі фотосинтезу лежить перетворення електромагнітної енергії світла на хімічну енергію. Ця енергія, нарешті, дає можливість перетворювати діоксид вуглецю вуглеводи та інші органічні сполуки з виділенням кисню.

Процес фотосинтезу

Фотосинтез, що є одним із найпоширеніших процесів на Землі, зумовлює природні круговороти вуглецю, кисню та інших елементів та забезпечує матеріальну та енергетичну основу життя на нашій планеті.

Щорічно в результаті фотосинтезу у вигляді органічної речовини зв'язується близько 81010 т вуглецю, утворюється до 1011 т целюлози. Завдяки фотосинтезу рослини суші утворюють близько 1,8 1011 т сухої біомаси на рік; приблизно таку ж кількість біомаси рослин утворюється щорічно у Світовому океані. Тропічний ліс вносить до 29% загальну продукцію фотосинтезу суші, а внесок лісів всіх типів становить 68%. Фотосинтез є єдиним джерелом атмосферного кисню.

Процес фотосинтезу є основою харчування всіх живих істот, а також забезпечує людство паливом (деревина, вугілля, нафта), волокнами (целюлоза) та незліченними корисними хімічними сполуками. З діоксиду вуглецю та води, пов'язаних з повітря на вході фотосинтезу, утворюється близько 90-95% сухої ваги врожаю. Інші 5-10% припадають на мінеральні солі та азот, отримані з ґрунту.

Людина використовує близько 7% продуктів фотосинтезу в їжу, як корм для тварин і у вигляді палива та будівельних матеріалів.

Процес фотосинтезу є акумулюванням енергії у клітині, а процес клітинного дихання - окислення утвореної при фотосинтезі глюкози є зворотним до фотосинтезу виділенням енергії. При окисленні вивільняється енергія хімічних зв'язків, що розриваються у вуглеводнях.

Подібність: обидва процеси забезпечують клітину енергією (АТФ), йдуть у кілька стадій.

Відмінності

Інші статті:

Склад лімбічної системи та її призначення. Анатомічна структура лімбічної системи
Структури лімбічної системи включають 3 комплекси. Перший комплекс - давня кора, нюхові цибулини, нюховий горбок, прозора перегородка. Другим комплексом структур лімбічної системи є стара кора, куди входить...

Сучасні теорії
Серед наступних теорій можна знайти теорію «катастроф», згідно з якою Земля зобов'язана своєю освітою певному втручанню ззовні, а саме близькій зустрічі Сонця з якоюсь блукаючою зіркою, що викликала виверження частини сонячного...

Вибір ферменту рестрикції
Обговорювані молекулярні основи варіабельності членів сімейств ГВР полягають у різній кількості одиниць, що повторюються, в кожному ГВР-локусі. Щоб виявити варіації такого роду з можливо більшою роздільною здатністю, необхідно гідролізувати ДН.

Лекція 6. ЕНЕРГЕТИКА ЖИТТЯ. 2. ОРГАНІКА
З ВУГЛЕКІСЛОГО ГАЗУ: ФОТОСИНТЕЗ І ХЕМОСИНТЕЗ

Фотосинтез

На прикладі глюкози ми розглянули, як у живих організмах органічні молекули розщеплюються до вуглекислого газу та води для одержання енергії. Тепер розглянемо зворотний процес – як ці органічні речовини (та сама глюкоза) утворюються з вуглекислого газу та води, тобто. фотосинтез. Насправді є й інші менш поширені варіанти біосинтезу органіки, які ми розглянемо далі. Проте головний – саме фотосинтез, у результаті якого Землі щорічно утворюється 150 млрд т цукрів.

Сумарну реакцію фотосинтезу ми вже згадували:

2 + Н 2 О = (СН 2 О) + О 2 .

При диханні ми розщеплювали глюкозу, щоб зробити певну кількість (близько 30 штук) молекул АТФ. Логічно припустити, що для синтезу глюкози потрібно витратити скільки молекул АТФ. Причому, якщо врахувати далеко не стовідсотковий ККД біохімічних реакцій, швидше за все для синтезу однієї молекули глюкози доведеться витратити трохи більше молекул АТФ. Природно буде припустити, що, подібно до дихання, процес синтезу органіки складатиметься з двох частин – та, що має справу з АТФ, та, яка має справу з глюкозою, тобто. кажучи, спочатку десь має відбутися синтез АТФ як універсального енергетичного ресурсу, а вже потім синтез глюкози за рахунок енергії цієї АТФ. Обидва ці процеси справді мають місце.

Оскільки йдеться про те, щоб збільшити, а не зменшити кількість органіки, енергію для одержання АТФ візьмемо не з розщеплення органіки, а з іншого джерела. У найпоширенішому випадку джерелом буде сонячне світло.

Ще на початку досліджень фотосинтезу було показано, що має місце група реакцій, що залежать від освітленості і не залежать від температури, а група реакцій, яка, навпаки, не залежить від освітленості і залежить від температури. Перша отримала назву світлової стадії фотосинтезу, друга – темновій стадії фотосинтезу. Не слід розуміти це в тому сенсі, що одна йде вдень, а інша вночі. Обидва набори реакцій протікають одночасно, просто для однієї світло потрібне, а для іншої – ні. Досить природно для реалізованих завдань те, що світлова фаза фотосинтезу нагадує окисне фосфорилювання, а темнова фаза є циклом, у чомусь схожим на цикл Кребса.

Для ознайомлення зі світловою фазою фотосинтезу необхідно розглянути таке хімічне явище, як пігменти. Що таке пігменти? Це забарвлені речовини. А чому деякі речовини пофарбовані, тоді як більшість речовин безбарвна? Що означає наше бачення якогось кольору? Це означає, що від речовини нам надходить світло, в якому співвідношення фотонів з різною довжиною хвилі відрізняється від денного білого світла. Як ви знаєте, біле світло є сумішшю фотонів у буквальному сенсі всіх кольорів веселки. Забарвлення світла означає переважання певних довжин хвиль з інших. Ми розглядаємо речовини за денного світла. Відповідно, якщо ми бачимо речовину забарвленою, значить вона вибірково поглинає фотони з певними довжинами хвиль. Не маючи маси спокою, поглинені фотони перестають існувати. Куди ж подіється їхня енергія? Вона йде на збудження молекули, на переведення її в новий, більш енергетично насичений стан.

Щоб мати здатність поглинати світло і переходити в енергетично насичений стан, молекула повинна бути системою, в якій такий стан можливий. Більшість органічних пігментів є речовини з регулярним чергуванням подвійних і одинарних зв'язків між вуглецями, т. е. з пов'язанимиподвійними зв'язками. Ці зв'язки утворюють резонансні системи, в яких електрони, що беруть участь в утворенні подвійних зв'язків (утворених орбіталями, не задіяними в sp 2 -гібридизації), можуть переміщатися по всій системі та перебувати в кількох енергетичних станах. Число таких станів та енергія, необхідна для переходу електрона з одного до іншого, суворо фіксовані для кожної молекули. Це випливає з квантової фізики – науки, найважчої розуміння непідготовленої людини, якими ми з вами є. Тому приймемо це на віру, довірившись критичним властивостям наукової спільноти, яка свого часу прийняла квантову теорію не без опору, але її величезні успіхи розвіяли всі сумніви.

Енергія, що розрізняє стани електрона в резонансних системах, така, що близько відповідає енергії фотонів тієї чи іншої довжини хвилі в межах видимої частини спектра. Тому резонансні системи поглинатимуть ті фотони, енергія яких дорівнює або трохи більше переведення їх електронів в один із більш енергетично насичених станів. (Оскільки енергія фотона вкрай рідко точно дорівнює енергії збудження електрона, залишок енергії фотона після того, як основна її частина віддана електрону, переходить в тепло). Саме тому речовини з резонансними системами мають забарвлення, тобто є пігментами.

Погляньмо на молекули деяких важливих для нашого випадку пігментів. Спочатку на найважливіший пігмент – хлорофіл.

Як і у випадку гему, який приєднаний до молекул гемоглобіну та цитохромів, ми бачимо ажурну та майже симетричну органічну конструкцію, що включає кілька подвійних зв'язків – порфіринове кільце. У її центрі також знаходиться атом металу, але з заліза, як і гему, а магнію. Він пов'язаний з чотирма атомами азоту (магній та порфіринове кільце утворюють. комплекс). Ми можемо очікувати, що така молекула буде пофарбована, і не помилимося. Ця молекула поглинає фотони у фіолетовій та синій, а потім у червоній частині спектру, і не взаємодіє з фотонами у зеленій та жовтій частині спектру. Тому хлорофіл і рослини виглядають зеленими - вони просто ніяк не можуть скористатися зеленими променями і залишають їх гуляти по білому світлу (роблячи його тим зеленіше).

До порфіринового кільця в молекулі хлорофілу додано довгий вуглеводневий хвіст. На рис. 6.1 він трохи схожий на якірний ланцюг. Він і є такий. Не маючи електронегативних атомів, ця частина молекули неполярна і, отже, гідрофобна. За допомогою неї хлорофіл заякорюється у гідрофобній середній частині фосфоліпідної мембрани.

Хлорофіл рослин представлений двома формами –aі b. У зелених рослинах приблизно чверть хлорофілу представлена ​​другою формою b. Він відрізняється тим, що одна мітильна група по краю порфіринового кільця. CH 3 заміщена на групу - CH 2 OH . Цього виявляється достатньо, щоб усунути спектр поглинання молекули. Ці спектри показані малюнку:

У ході світлової фази фотосинтезу енергія поглинених фотонів сонячного світла перетворюється на збуджений стан електронів молекули хлорофілу і надалі використовується для синтезу АТФ – ми вже бачили, як живі системи вміють приручати збуджені електрони, вправно та з вигодою для себе з ними поводитися. На наведеному малюнку показаний графік ефективності фотосинтезу залежно від довжини хвилі світла, яким опромінюється рослина.

Дещо іншу структуру мають каротиноїди – червоні та жовті пігменти. (Саме каротиноїди фарбують морквину і горобину, вони ж є вітаміном А.) Але й у них є система сполучених подвійних зв'язків, дещо простіша.

Каротиноїди теж беруть участь у фотосинтезі, але як допоміжні молекули.

Нам знову потрібно зробити просторове застереження. Подібно до того, як клітинне дихання йде в мітохондріях, фотосинтез йде в хлоропластах. Хлоропласти - це органели, схожі на мітохондрії, але вони більші і мають більш розвинену внутрішню структуру; наповнені плоскими бульбашками – тілакоїдами, які зібрані в стоси – грани.

Пігменти фотосинтезу розташовуються на внутрішній стороні мембрани тилакоїдів. Вони організовані в фотосистеми– цілі антенні поля з уловлювання світла – кожна система містить 250–400 молекул різних пігментів. Але серед них принципове значення має одна молекула хлорофілу а- вона називається реакційним центромфотосистеми. Всі інші молекули пігментів називаються антенними молекулами. Усі пігменти у фотосистемі здатні передавати один одному енергію збудженого стану. Енергія фотона, поглинена тією чи іншою молекулою пігменту, переноситься на сусідню молекулу, доки досягне реакційного центру. Коли резонансна система реакційного центру переходить у збуджений стан, вона передає два збуджені електрони молекулі-акцептору і тим самим окислюється і набуває позитивного заряду.

У рослин існує дві фотосистеми – 1 і 2. Молекули їх реакційних центрів дещо різняться – перша має максимум поглинання світла на довжині хвилі 700 нм, друга – 680 нм (застереження зроблено для того, щоб пояснити зображення на схемах), позначаються вони Р700 та Р680 . (Відмінності в оптимумах поглинання обумовлені невеликими відмінностями в структурі пігментів.) Зазвичай ці дві системи працюють пов'язано, як конвеєр, що складається з двох частин і називається нециклічним фотофосфорилюванням.

Ще одна схема:

Виробничий цикл починається з фотосистеми 2. З нею відбувається таке:

1) антенні молекули вловлюють фотон і передають збудження молекули активного центру Р680;

2) збуджена молекула Р680 віддає два електрони кофактору Q (дуже схожий на той, який бере участь у ланцюгу перенесення електронів у мітохондріях), при цьому вона окислюється і набуває позитивного заряду;

3) під дією певних ферментів, що містять марганець, окислена молекула Р680 відновлюється, забираючи два електрони від молекули води. При цьому вода дисоціює на протони та молекулярний кисень. Для створення однієї молекули кисню потрібно відновити дві молекули Р680, що втратили в сумі чотири електрони, при цьому утворюються чотири протони.

Звернімо увагу - саме тут у ході фотосинтезу утворюється кисень. Оскільки він утворюється шляхом розщеплення молекул води під дією світла, цей процес називається фотолізом води;

4) ці протони утворюються у внутрішньому просторі тилакоїда, де створюється надмірна концентрація протонів у порівнянні з навколишнім простором (тобто кисліше середовище). Таким чином, формуються наші старі знайомі – протонний градієнт та мембранний потенціал. Ми вже знаємо, як усе це буде використано: АТФ-синтетаза буде парами випускати протони назовні та синтезувати АТФ із АДФ. Звернімо увагу на одну здається відмінність від мітохондрій – при окисному фосфорилюванні в мітохондріях протони викачуються з простору, обмеженого внутрішньою мітохондріальною мембраною, і входять назад через АТФ-синтетазу. У нашому випадку протони закачуються у внутрішній простір тилакоїду та виходять звідти через АТФ-синтетазу. Однак внутрішнє просторово тилакоїда відповідає простору між двома мембранами хлоропласту – це як би складки, що відшнурувались (подібні кристалам мітохондрій) внутрішньої мембрани;

5) тим часом два електрони, що надійшли до кофактора Q , Передаються далі по ланцюжку білків, яка дуже схожа на ланцюг переносу електронів. У ній також беруть участь хінони, цитохроми – білки, що містять гем у комплексі з атомом заліза, білки, що містять залізо та сірку, хлорофіл і пластоціанін – фермент, що містить мідь. І проходження електронів нею також супроводжується транспортом протонів проти градієнта концентрації крізь мембрану тилакоїдів, що знову-таки ллє воду на млин АТФ-синтетази;

6) зрештою, електрони надходять від пластоціаніну до реакційного центру фотосистеми 1 – молекули Р700.

У фотосистемі 1 відбувається таке:

1) антенні молекули ловлять фотон і передають енергію в резонансну систему реакційного центру Р700, який збуджується і віддає два електрони акцепторного залізовмісного білка (Р430). Як і у випадку фотосистеми 2, Р700 тим самим окислюється і набуває позитивного заряду;

2) ця молекула відновлюється і втрачає заряд, отримавши два «заспокоєних» (але не до вихідного стану – їх енергія ще не до кінця витрачена!) електрона, які спочатку надійшли від фотосистеми 2. У цьому випадку необхідності у фотолізі немає і його не відбувається;

3) Р430 віддає електрони іншому залізовмісному білку, який називається ферродоксин;

4) отримавши електрони, цей білок відновлює кофермент НАДФ до НАДФ-Н. Даний кофермент є фосфорильованим НАД. Процес відбувається на зовнішній мембрані тілакоїда. Для нього необхідний протон, який береться із внутрішнього простору хлоропласту, зовнішнього по відношенню до тилакоїду. Тим самим протонний градієнт лише посилюється.

Останній етап вам нічого не нагадує? Так, він нагадує, як НАД-Н окислявся до НАД+ і віддавав електрони по ланцюгу переносу електронів. Тільки тут все відбувається у зворотному порядку. Там НАД-Н передавав енергію електрону, який її втрачав, проходячи ланцюгом перенесення електронів. А тут, навпаки, електрон, збуджений енергією сонячного світла, накопиченою двома послідовно сполученими фотосистемами, передає її НАДФ+, відновлюючи його до НАДФ-Н.

Дійсно, вся світлова фаза фотосинтезу схожа на окисне фосфорилювання в мітохондріях тим, що в ході його по подібному ланцюгу білків передаються електрони, в результаті чого в певному обмеженому мембраною просторі - в даному випадку внутрішньому просторі тилакоїда - створюється надмірна концентрація протонів різницю потенціалів. Потенційна енергія електростатичних сил, що виникає, використовується для синтезу АТФ за рахунок руху протонів по градієнту, здійснюваного АТФ-синтетазою. Відмінність від окисного фосфорилювання полягає в тому, що якщо там для збудження електронів використовувалася відновлена ​​молекула НАД-Н, то для цього використовується світло, а НАДФ+, навпаки, відновлюється і використовується в темновій стадії фотосинтезу (а може бути далі використаний і в тих ж мітохондріях). В цілому виходить, що протони утворюються у внутрішньому просторі тилакоїда при фотолізі води, закачуються туди ж в ході роботи фотосистеми 2 і черпаються із зовнішнього простору тилакоїда для відновлення НАДФ+ до НАДФ-Н, за допомогою якого водень надходить синтезовані в ході фотосинтезу вугілля.

Ось на схемі більш менш показані всі основні процеси світлової стадії фотосинтезу:

Однак фотосистема 1 може працювати автономно. При цьому використовується обхідний шлях перенесення електронів від збудженого реакційного центру - а саме той же ланцюг перенесення електронів, який веде з фотосистеми 2. Електрони проходять по ній, викликаючи пов'язаний транспорт протонів із зовнішнього середовища тилакоїда у внутрішнє, чим посилюється протонний градієнт, і повертаються назад до реакційного центру фотосистеми 1 – Р700 Таким чином, тут світло немовби крутить колесо протонного насоса, не окислюючи води і не відновлюючи НАДФ. Це називається циклічним фотофосфорилуванням. Воно може йти паралельно з нециклічним. Крім того, воно використовується деякими фотосинтетичними бактеріями, які в процесі фотосинтезу не виділяють кисню.

Результат світлової фази фотосинтезу при нециклічному фотофосфорилуванні (а це основний варіант) можна записати у вигляді такої реакції:

2НАДФ + 2АДФ + 2Ф- + 2 H 2 O + 4 hv = 2НАДФ-Н + 2АТФ + O2.

Тут hv – умовне позначення енергії одного фотона, Ф – умовне позначення залишку фосфорної кислоти з розчину. Приблизний він тому, що, як і при окисному фосфорилюванні, кількість АТФ, синтезована АТФ-синтетазою, не пов'язана жорсткою залежністю від кількості електронів, пропущених ланцюжком білків у фотосистемі II.

Наш приблизний гешефт внаслідок світлової фази фотосинтезу, повна схема якої наведена на рис. 6.6 – одна АТФ і один відновлений кофермент (який, як ми пам'ятаємо, при диханні «коштує» 2,5 АТФ) на два фотони, тобто майже дві АТФ на один квант енергії, запозичений у одного поглиненого фотона. Не погано!

Отже, ми розглянули, звідки під час фотосинтезу береться енергія (тобто АТФ). Залишилося розглянути, як із використанням цієї енергії робиться органіка.

Рослини використовують три варіанти такого виробництва. Розглянемо найпоширеніший із них, який до того ж використовується синьо-зеленими водоростями та фотосинтетичними і навіть хемосинтетичними бактеріями – цикл Кальвіна. Це ще один замкнутий цикл взаємоперетворення органічних речовин одна в іншу під дією спеціальних ферментів, подібний до циклу Кребса. І до речі, ще одна Нобелівська премія, 1961 року - Мелвіну Кальвіну, який його відкрив.

Цикл починається з цукру, що має ланцюжок з п'яти атомів вуглецю і несе дві фосфатні групи - рибулозо-1,5-біфосфат (і ним же закінчується). Процес починається, коли спеціальний фермент – рибулозобіфосфаткарбоксилаза – приєднує до нього молекулу СО2. Шестивуглецева молекула, що утворюється на короткий час, негайно розпадається на дві молекули гліцерат-3-фосфату (він же 3-фосфогліцерат, з цією речовиною ми вже зустрічалися в гліколізі). Кожна з них містить три атоми вуглецю (тому цикл Кальвіна називається також C 3-шлях фіксації вуглекислого газу).

Фактично фіксацію углекислого газу в органіці здійснює саме цей фермент - рибулозобіфосфаткарбоксилаза. Це напрочуд повільний фермент – він карбоксилює всього три молекули рибулозо-1,5-біфосфату на секунду. Для ферменту це замало! Тому самого даного ферменту потрібно багато. Він фіксований на поверхні тилакоїдних мембран та становить близько 50 % від усіх білків хлоропласту. Про нього відомо, що це найпоширеніший білок у світі (подумайте, чому).

Гліцерат-3-фосфат із витратою однієї молекули АТФ фосфорилюється до дифосфогліцерату. Той, у свою чергу, дефосфорилюється до гліцеральдегід-3-фосфату, причому під час цієї реакції одна молекула відновленого НАДФ-Н окислюється до НАДФ+. Знову витрата енергії!

З'єднання, що вийшло - гліцеральдегід-3-фосфат - наш старий знайомий. Воно утворюється в ході розщеплення глюкози у процесі гліколізу, а саме при розщепленні фруктозо-1,6-біфосфату. З нього в ході ферментативних реакцій, що йдуть без витрати енергії, можна отримати глюкозу. Деякі з реакцій гліколізу незворотні (а саме ті, під час яких дефосфорилюється АТФ), тому задіяні інші реакції та інші посередники.

Здавалося б, і весь фотосинтез. Але для того, щоб він продовжувався, нам потрібно якимось чином регенерувати рибулозо-1,5-біфосфат – основний субстрат ферменту, що фіксує вуглекислий газ. Тому на кожні 12 молекул гліцеральдегід-3-фосфату, що утворився, тільки дві йдуть на синтез глюкози, а 10 направляються на відновлення шести молекул рибулозо-1,5-біфосфату. У цьому процесі бере участь 12 х 3 = 6 х 5 = 30 атомів вуглецю, які перегрупуються з 10 тривуглецевих молекул до 6 п'ятивуглецевих. При цьому на вході ми маємо 10 фосфатних груп (по одній на кожну молекулу гліцеральдегід-3-фосфату), а на виході повинні мати їх 12. Однак, на всю цю частину процесу додатково витрачається шість молекул АТФ.

Якщо відняти речовини, що регенерують в ході циклу (які додатково не синтезуються і не витрачаються), то сумарне рівняння фіксації вуглекислоти виходить таким:

6 CO 2 + 12НАДФ-Н +18 АТФ = 1 глюкоза + 12НАДФ + + 18АДФ + 18Ф-+ 6 H 2 O

(Тут Ф - це вільна фосфорна група).

Ми отримуємо витрати 12 відновлених коферментів та 18 АТФ на одну молекулу глюкози. Якщо ми згадаємо «ціну» відновленого коферменту у фірмі «Ланцюг переносу електронів» у 2,5 молекули АТФ, то отримання однієї молекули глюкози – єдиної міжклітинної валюти – нам обходиться, в єдиній клітинній валюті, 48 АТФ. При її розщепленні ми отримували лише близько 30 АТФ. Здається, різниця в курсі купівлі та продажу називається «маржа». У цьому випадку вона дуже велика! Близько 1/3 енергії втрачається з допомогою ККД біохімічних процесів. (У техніці це було б таки велике значення ККД.)

Як ми могли помітити, фотосинтез взагалі трохи нагадує клітинне дихання, вивернуте навиворіт. Там у ході замкнутого в цикл взаємоперетворення невеликих органічних речовин деякі з них витрачалися з виділенням вуглекислого газу та відновлювалися коферменти, які потім окислялися, віддаючи електрони в ланцюг переносу електронів, звідки вони зрештою надходили до молекулярного кисню з утворенням води. Тут процес починається з відібрання електронів у води з утворенням молекулярного кисню, звідти вони (отримавши енергію від світла) надходять у ланцюг переносу електронів і зрештою йдуть на відновлення коферментів. Відновлені коферменти і вуглекислий газ вступають у циклічне взаємоперетворення органічних речовин, в якій вони синтезуються з витратою АТФ. Навіть ділянки зовнішнього по відношенню до органели простору виявилися виворутими навиворіт і стали внутрішнім простором тилакоїда.

Однак цей самий ходовий варіант фотосинтезу має підводний камінь. Рибулозобіфосфаткарбоксилаза влаштована так, що здатна перетворювати рибулозо-1,5-біфосфат не тільки в бажані нам (тобто рослинам) дві молекули гліцерат-3-фосфату, а й здійснювати прямо протилежну річ - просто окислювати її за допомогою кисню до однієї молекули гліцерат-3-фосфату з відщепленням молекули вуглекислого газу

Фосфогліколева кислота потім перетворюється на гліколеву кислоту і окислюється за допомогою кисню ще до двох молекул вуглекислого газу (це відбувається в спеціальних органелах клітини - піроксисомах, які для цієї мети тісно прилягають до пластид). Замість фіксації вуглекислоти в органічній молекулі ми навпаки виробляємо її з органічної молекули. Цей процес, оскільки він полягає у споживанні кисню з вивільненням вуглекислого газу, називається фотодиханнямале на відміну від справжнього дихання при цьому не запасається ніякої корисної енергії. Бажаний процес (фіксація вуглекислого газу) каталізується рибулозобіфосфаткарбоксилазою при високих концентраціях вуглекислого газу і низьких - кисню, а небажаний (відщеплення вуглекислого газу) - навпаки, при низьких концентраціях вуглекислого газу і високих - кисню. - Рослинної тканини, в якій відбувається фотосинтез.

В результаті за рахунок фотодихання втрачається до половини щойно фіксованого вуглецю. Щоб обійти цю перешкоду, багатьма неспорідненими рослинами було вироблено обхідний шлях фіксації СО 2 . Він називається С4-шлях. При ньому вуглекислий газ фіксується двічі – спочатку на молекулі фосфоенолпірувату з утворенням яблучної кислоти, або малату (у інших рослин – аспарагінової кислоти), яка має 4 атоми вуглецю.

Цей процес каталізується ферментом фосфоенолпіруваткарбоксилазою, який не фіксований на мембрані, а розчинений у цитоплазмі клітин мезофіла. Крім того, він використовує не молекулу 2 як таку, а її гідратовану форму - іон вугільної кислоти 3 -, що знаходиться в рівновазі з 2 при його розчиненні воді. Потім яблучна кислота мігрує в інші клітини (обкладки судинних пучків), де від неї молекула вуглекислого газу знову відщеплюється, і відразу, як ні в чому не бувало, вступає в цикл Кальвіна. Піруват, що утворюється при цьому, повертається в клітини мезофіла, де фосфорилюється з витратою АТФ і перетворюється на фосфоенолпіруват, який тим самим регенерує - і все повторюється по циклу. Весь фокус у тому, що в клітинах обкладки, куди не проникає так багато кисню, зіздеться підвищена концентрація вуглекислого газу, щоб рибулозобіфосфаткарбоксилаза каталізувала потрібну реакцію. Зауважимо, що, задіявши С4-шлях, ми змушені витрачати додаткову молекулу АТФ для того, щоб фосфорилювати піруват.

Звернемо вашу увагу лише на те, що піруват та яблучна кислота вже зустрічалися нам у циклі Кребса, тобто для «порятунку» темнової стадії фотосинтезу від фотодихання була задіяна якась частина цього старого доброго циклу. Типовий приклад того, як справи в біохімії.

Обхідний 4 -шлях ефективний при високих температурах, але неефективний при низьких. Тому частка рослин, які ним користуються, підвищується на південь.

Є ще й так званий «шлях товстянкових» – він реалізований у сімействі толстянкових та кактусових. Це справді дуже товсті рослини, які ростуть там, де спекотно і мало води. Економлячи воду, протягом спекотного дня вони закривають свої продихи (це отвори, по якому в листя проникають гази) і тому не можуть поглинати СО 2 . Фіксація СО 2 у них відбувається лише вночі, у ході якої у великій кількості запасається яблучна кислота. Вдень, при закритих продихах, вона декарбоксилюється, і СО 2, що регенерував, вступає в цикл Кальвіна (хоча він і відноситься до темнової фази фотосинтезу). Так що ці рослини теж використовують обхідний 4 -шлях, фіксуючи вуглекислий газ двічі, але у них його первинна фіксація розділена з циклом Кальвіна не в просторі (в різних клітинах), як у попередньому варіанті, а в часі.

Ми навмисно розглядаємо ці тонкощі, які, можливо, не дуже вам і потрібні, щоб продемонструвати взаємозв'язок біохімії з екологією-наукою про взаємодії організмів із зовнішнім середовищем і один з одним.

Отже, темнова стадія фотосинтезу, т. е. саме синтез органіки, існує у кількох варіантах. Світлова фаза організована однаково у всіх зелених рослин і у ціанобактерій (синьо-зелені водорості). Однак у іншого типу фотосинтезуючих бактерій, або фототрофних бактерій, які не є ціанобактеріями, – пурпуровихі зеленихбактерій, реалізовані та інші типи світлової стадії фотосинтезу. Ці два типи фототрофних бактерій розрізняються структурою своїх хлорофілів та їх набором. Причому пурпуровий (або коричневий, жовтий) колір пурпурових бактерій зумовлений, як і вищих рослин, каротиноїдами. Найцікавіше, що хлорофіл пурпурових бактерій здатний поглинати фотони та здійснювати фотосинтез у невидимій інфрачервоній частині спектру. Це дуже важливо на глибинах, у які видиме світло не проникає. Внутрішній простір клітин фототрофних бактерій заповнено фотосинтезуючими мембранними структурами, які в деяких випадках нагадують тилакоїди.

Загальне рівняння фотосинтезу у фототрофних бактерій залишається майже тим самим, що й у зелених рослин:

2 + Н 2 Х = (СН 2 Про) + 2Х.

Тільки кисень замінений на Х, у разі H 2 X – це не вода, а будь-яка речовина, здатна окислюватися з передачею електрона у фотосистему та заодно віддавати протон. Такою речовиною може бути сірководень, тіосульфат, молекулярний водень (у цьому випадку Х = 0) та органічні сполуки.

У зелених та пурпурових бактерій існують фотосистеми лише одного типу. Вони можуть здійснювати як циклічне фотофосфорилювання, при якому не потрібен екзогенний донор електронів та водню, так і нециклічний, при якому такий донор необхідний. Навіщо ж рослинам і ціанобактеріям знадобилася пов'язана робота двох фотосистем? Справа в тому, що для синтезу органіки в циклі Кальвіна необхідна не тільки енергія, яка може надходити у вигляді АТФ, а й відновлені коферменти НАДФ як донора не тільки енергії, а й водню. Для того щоб перевести електрон у стан з настільки високою енергією, якого буде достатньо для відновлення молекули НАДФ+ до НАДФ-Н, необхідне послідовне використання двох фотосистем. Енергії двох фотонів також виявилося достатньо для того, щоб забрати електрони від атома кисню у складі води.

Примітно, що в парі двох фотосистем, яку вперше винайшли ціанобактерії (синьо-зелені водорості), фотосистема 1 походить від фотосистеми зелених бактерій, а фотосистема 2 - від фотосистеми пурпурових бактерій. Об'єднавши два цих готових механізму, ціанобактерії виявилися здатними до окислювального фотолізу води та відновлення НАДФ+. Бактерії легко обмінюються генетичним матеріалом, і подібне поєднання двох неспоріднених еволюційних ліній для них не є винятковим. Рослини успадкували спарену фотосистему від синьо-зелених водоростей. Як – ми побачимо це у лекції 8.

Найпоширеніший у фототрофних бактерій варіант фотосинтезу – це коли замість води використовується з'єднання водню з елементом тієї ж групи кисню – сірка. Фототрофні сірчані бактерії, У яких реалізований такий варіант, поглинають сірководень, а виділяють сірку.

Сірчаними бактеріями є частина пурпурових і майже всі зелені бактерії. Де такі бактерії мають жити? Очевидно, у сферах активного вулканізму. Вулкани виділяють багато сірки, переважно у її поєднанні з киснем (сірчистий газ SO 3 ) та воднем (сірководень H 2 S ). Так, у кратері активного вулкана особливо не поживеш. Однак поблизу нього, а також біля підніжжя вулканів, що згасли, завжди є місця закінчення вулканічних газів - фумароли. Зазвичай вони розташовуються в тріщинах вивержених порід, яким відповідають поглиблення поверхні, де накопичується вода. Ця вода насичена сірководнем, що є сприятливим середовищем для фотосинтетичних сірчаних бактерій.

У якій формі виділяється сірка? Усі сірчані фототрофні бактерії окислюють відновлені сполуки сірки до мінеральної сірки – твердої речовини. В одних бактерій сірка накопичується усередині клітин у вигляді твердих частинок. У міру загибелі бактерій вони виходять у довкілля. Інші здатні виділяти сірку відразу в довкілля. Багато зелених і пурпурових сірчаних бактерій здатні окислювати сірку далі, аж до сульфатів, але як субстрат для світлової стадії фотосинтезу використовується саме сірководень і деякі інші сполуки відновленої сірки з воднем.

Однак фототрофні серобактерії зустрічаються не тільки у фумаролах – вони можуть з'являтися скрізь, де тільки не зустрічається сірководень. А він часто утворюється при анаеробному розкладанні органіки іншими бактеріями. Зокрема, вони розвиваються, іноді у великих кількостях, у придонному шарі ставків, озер та морів. Більшість фототрофних бактерій – суворі (облігатні) анаероби. Однак є серед них і факультативні аероби, здатні існувати та зростати у присутності кисню.

У наведеному рівнянні Х може і дорівнювати нулю. Такі фотосинтетичні бактерії споживають чистий молекулярний водень. Реакційний центр фотосистеми забирає два електрони у атома водню і перетворює його на два протони. Бактерії, що використовують як відновник водень, менш поширені, ніж сірчані бактерії.

Більшість фототрофних бактерій здатні до фотоокислення органічних речовин (тут Х – це органічний радикал), але це навряд чи можна назвати фотосинтезом, оскільки органічні речовини тут більше витрачаються, ніж утворюються.

Не слід забувати про існування циклічного фотофосфорилування - процесу, при якому не потрібні молекули-донори ні протонів, ні електронів. Можна припустити, що це була історично перша діюча схема світлової стадії фотосинтезу, оскільки вона найпростіша, що включає лише одну фотосистему і не потребує додаткових відновників. У ході циклічного фотофосфорилювання утворюється не дуже багато АТФ, а в класичному випадку НАДФ+ не відновлюється зовсім (але в деяких фототрофних бактерій може і відновлюватися). Напевно, будучи «винайдено», циклічне фосфорилювання служило лише деякою енергетичною підмогою своїм носіям. Але оскільки весь механізм працює на створенні різниці концентрації протонів усередині і поза якимось мембранним простором, то виявилося зручно посилити цей градієнт шляхом окислення якоїсь водневмісної речовини - молекулярного водню, води або сірководню.

Нарешті, досить недавно відкрита зовсім інша система фотосинтезу у галобактерій– мікроорганізмів, що розвиваються в концентрованих розчинах кухонної солі та забарвлюють їх у червоний колір. Насправді вони відносяться до археобактерій - особливих мікроорганізмів, які за багатьма ознаками настільки ж віддалені від бактерій, як і від еукаріотів. Забарвлення обумовлене пігментом ретинальдегідом, який відноситься до класу каротиноїдів. Цей пігмент споріднений з світлочутливим пігментом, відповідальним за наш зір. Він приєднаний до білка бактеріопсин на правах коферменту. Цей білок пронизує мембрану клітини сімома альфа-спіралями. Енергія фотона зеленого кольору від'єднує ретинальдегід від бактеріопсину. При цьому бактеріопсин спрацьовує як протонна помпа та проштовхує протон крізь мембрану. Після цього ретинальдегід може реасоціювати із бактеріопсином. Ми знову бачимо той самий принцип – створення градієнта протонів та мембранного потенціалу для синтезу АТФ. Причому градієнт протонів створюється самим білком, що фотосинтезує. При цьому, як і при циклічному фосфорилювання, жодної додаткової речовини не відновлюється. Схоже, це найпростіший із існуючих на даний час шляхів фотосинтезу.

Який ми можемо зробити висновок? Різні фотосинтетичні системи могли винаходити неодноразово та ґрунтуватися на різних ключових пігментах. Розглянутий нами тандем із двох фотосистем, заснованих на хлорофілі, – один із багатьох варіантів і, мабуть, найефективніший. Обидві фотосистеми були винайдені фототрофними бактеріями, об'єднані ціанобактеріями (синьо-зеленими водоростями) та успадковані рослинами (як саме – побачимо далі).

Слід зазначити, що не всі фототрофні бактерії є автотрофами у сенсі цього терміну, т. е. здатні розвиватися на суто мінеральних середовищах. Більшість з них все ж таки потребує тих чи інших готових органічних речовин, так що фотофіксація вуглекислоти є для них лише додатковим джерелом вуглецю.

Саме така справа у галобактерій. Причому вони мають ще одну разючу особливість – вони здатні поглинати цукру й із екзогенної органіки фактично «живляться» одними амінокислотами. Можливо, це одна із сторін архаїчності цих дивовижних мікроорганізмів.

Хемосинтез

Синтез органіки може відбуватися не тільки за рахунок сонячного світла, а й за рахунок ресурсу, освоєння якого не потребує такої просунутої антеної техніки, як фотосистеми на основі пігментів складної будови, – за рахунок енергії, що запасається в хімічних зв'язках неорганічних речовин. Це так званий хемосинтез.

Організми, здатні до хемосинтезу і не потребують зовнішнього джерела органічних речовин, називаються хемоавтотрофи. Хемоавтотрофи зустрічаються лише серед бактерій, причому у світі різноманітність хемосинтетичних бактерій невелика. Вони були відкриті наприкінці XIX в. вітчизняним мікробіологом С. Н. Виноградським. Однак, як і у випадку із зеленими та пурпуровими бактеріями, багато бактерій, здатних до хемосинтезу, все ж таки потребують певних органічних речовин і до автотрофів формально віднесені бути не можуть. У той самий час відомо, що важлива сама здатність до хемосинтезу, яка може бути основою становлення хемоавтотрофії.

Розглядаючи варіанти бактеріального фотосинтезу, ми з вами торкнулися вулканізму, що має пряме відношення до цієї теми. І дійсно, ті ж речовини, які фототрофні бактерії використовували як донори електронів для фотосинтезу, можуть бути використані хемоавтотрофами для отримання енергії шляхом їх окислення без залучення енергії світла. Хемоавтотрофні бактерії можуть використовувати як джерело енергії, тобто як відновники:

1) сполуки сірки;

2) водень;

3) з'єднання азоту;

4) з'єднання заліза;

і ймовірно:

5) карбонат марганцю MnCO 3 до оксиду марганцю Mn 2 O 3;

6) оксид тривалентної сурми Sb 2 O 3 , окислюючи його до пятивалентной Sb 2 O 5 .

Так звані безбарвні сірчані бактерії розвиваються в сірководневих джерелах, у тому числі і гарячих (деякі мають температурний оптимум близько 50 про С), і навіть у джерелах, що є слабкою (аж до однонормальної, рН = 0)сірчану кислоту або насичений розчин кухонної солі. Деякі з цих бактерій зустрічаються в грунті, в родовищах сірки і в деяких гірських породах, що руйнуються (сприяючи їх так званому сірчанокислому вивітрюванню). Звичайно, до різних умов пристосовані різні види цих бактерій. Багато хто з них не тільки здатний окислювати одну якусь сполуку сірки, а послідовно підвищувати її ступінь окислення, тобто окислювати сірководень (H 2 S ) до молекулярної сірки ( S ), а молекулярну сірку – до тіосульфату ( S 2 O 3 - ), тіосульфат - до сульфіту ( SO 3 - ), сульфіт – до сульфату, тобто сірчаної кислоти ( SO 4 - ). У цьому ступінь окислення сірки збільшується від –2 до +6. Не дивно, що для хемосинтезу обраний такий елемент, як сірка, ступінь окислення якого здатна варіювати в таких широких межах.

Деякі здатні окислювати сірку навіть із нерозчинних сульфідів важких металів. Такі бактерії використовують для розробки збіднених родовищ цих металів. Воду з бактеріями пропускають через подрібнену руду, представлену сульфідами, і збирають її, збагачену сульфатами відповідних металів.

Як ми знаємо, все, що нам потрібно від будь-яких джерел енергії, це отримати АТФ. Отримання АТФ з урахуванням відновлення сірки може йти двома шляхами.

Найдивовижніший шлях – майже прямий. Він реалізується щонайменше при окисленні сульфіту. Сульфіт взаємодіє з АМФ із утворенням аденозинфосфосульфату (АФС). Саме в цій реакції ступінь окислення сірки змінюється з +4 до +6, причому електрони, що вивільнилися, передаються в ланцюг переносу електронів для окисного фосфорилювання. Молекула АФС, своєю чергою, замінює сульфатну групу на залишок вільної фосфорної кислоти з розчину з утворенням АДФ, тоді як сульфат вивільняється в розчин. (Про всяк випадок нагадаємо, що кожна така реакція каталізується спеціальним ферментом.) АДФ вже містить один макроергічний зв'язок. Фермент аденілаткіназу з двох молекул АДФ робить одну молекулу АТФ та одну АМФ. Ми бачимо тут найпростіший із усіх розглянутих нами шляхів синтезу АТФ – лише у три етапи. Фермент каталізує сполуку безпосереднього джерела енергії – сполуки сірки – з АМФ, а наступний фермент – заміщення залишків однієї кислоти на іншу з утворенням АТФ. Відібрані у сірки електрони можуть прямувати в ланцюг переносу і без фосфорилювання АМФ - у цьому випадку окислення сірки проводиться безпосередньо одним з цитохромів.

Як бачимо, в обох процесах задіяно окисне фосфорилювання, що потребує вільного кисню. Тому бактерії-хемосинтетики – це, як правило, облігатні аероби.

Даний приклад показує, що: 1) шляхи отримання АТФ при хемосинтезі відрізняються різноманітністю і 2) серед них є і дуже прості; можливо, вони еволюційно виникли найпершими.

До речі, ККД хемосинтезу на основі сірки невисокий – при ньому використовується від 3 до 30 % енергії, що полягає у відновлених формах сірки.

Щоб окислювати сірку і вилучати з одного цього енергію без залучення її додаткових джерел, сучасні хемосинтетичні бактерії потребують сильного окислювача, і ним є кисень. Це або молекулярний кисень повітря, або кисень нітратів ( NO 3 - ). Як ви знаєте, нітрати, тобто селітра, дуже хороший окислювач і використовується при виготовленні пороху.

Бактерії, які використовують як єдине джерело енергії окислення водню, – водневі бактерії, живуть у грунті та водоймах. Окислення водню відбувається через цитохроми з допомогою ланцюга перенесення електронів, т. е. з допомогою молекулярного кисню як акцептора електронів. Таким чином, для життя цих бактерій потрібна присутність у середовищі не тільки водню, а й кисню – фактично вони живуть на гримучій суміші та використовують енергію, яка могла б виділитися внаслідок згоряння водню. Це досить велика енергія, і вони використовують її досить ефективно – до 30 %. Загальне рівняння водневого хемосинтезу таке, що на шість молекул окисленого водню припадає одна фіксована в органічних сполуках, що синтезуються, молекула СО 2 .

Цікаво, що водень, що використовується водневими бактеріями, виділяється як побічний продукт життєдіяльності іншими бактеріями – звичайними гетеротрофними, які використовують як джерело енергії готову органіку. Одночасна присутність водню та кисню – знову ж таки дуже рідкісна екологічна ситуація. Можливо, саме тому всі водневі бактерії можуть засвоювати готові біологічні органічні речовини.

Хемосинтез на основі азоту здійснюють нітрифікуючі бактерії. Як ви знаєте, азот, як і сірка, відноситься до елементів, що легко змінюють ступінь окислення. Є дві групи нітрифікуючих бактерій. Одна відновлює амоній ( NH 4+ ) до нітритів (NO 2- ), у своїй ступінь окислення азоту змінюється з –3 до +3. Друга група окислює нітрити до нітратів ( NO 3 - ), підвищуючи ступінь окиснення азоту до +5. Всі бактерії, що нітрифікують, - облігатні аероби. Електрони від азоту передаються в ланцюг переносу електронів за допомогою флавопротеїну (флавін, що містить) або через цитохроми.

Є також бактерії, здатні окислювати двовалентне залізо до тривалентного. З них здатність до автотрофного існування доведена лише для кількох видів, що є одночасно сірчаними бактеріями та здатних окислювати молекулярну сірку та різні її сполуки з киснем та важкими металами. Загальне рівняння хемосинтезу у разі виглядає так:

4Fe 2+ SO 4 + H 2 SO 4 +O 2 = 2Fe 3+ 2 (SO 4) 3 + 2H 2 O.

Такі бактерії, що у болотах, утворюють болотні родовища заліза.

Всі розглянуті хемоавтотрофи одержують енергію шляхом окислення неорганічних речовин і запасають її у вигляді молекул АТФ. Енергія, запасена в АТФ, використовується ними для фіксації вуглекислоти та побудови біологічних органічних молекул. Для цього всі вони використовують уже розглянутий цикл Кальвіна. Згадаймо, проте, що у цьому циклі, крім АТФ, необхідний і НАДФ-Н. У той же час енергетичного виграшу від окислення всіх речовин, що використовуються для хемосинтезу, недостатньо для відновлення НАДФ-Н з НАДФ+. Тому його відновлення йде у вигляді окремого процесу із витратою частини АТФ, отриманої в ході хемосинтезу.

Отже, хемосинтез представляє привабливу можливість використання енергії неорганічних сполук елементів, які легко змінюють ступінь свого окислення для отримання АТФ і синтезу органічних речовин шляхом фіксації вуглекислого газу. Зазначимо, однак, чотири обставини.

1. Більшість відомих випадків хемоавтотрофії вимагають вільного кисню як окислювача, в окремих випадках він заміщається киснем нітратів. А як ви пам'ятаєте, кисень у атмосфері є продуктом фотосинтезу. Усе це означає, що з погляду геохімічного круговороту речовин хемосинтез Землі нині вторинний стосовно фотосинтезу.

2. Такі речовини, як аміак, сірководень і водень, часто самі утворюються в результаті життєдіяльності бактерій, щоправда, зовсім інших, які використовують для отримання енергії та побудови речовини свого тіла такий ефективний ресурс, як уже готова органіка. Таким чином, у багатьох випадках за рахунок хемоавтотрофів загальна кількість органіки не зростає. Вони просто є елементами загального ланцюга її розщеплення, що включає безліч мікроорганізмів – просто цьому етапі додається локальний ресинтез органіки з СО 2 з допомогою енергії якихось проміжних сполук, утворених у її глобального розкладання.

3. Переважаючий у час на планеті тип хемосинтезу - окислення сірководню вулканічного походження.

4. Кисень повітря легко окислює сірководень «самостійно», без допомоги мікроорганізмів. Тому ці два гази майже не зустрічаються разом. Наприклад, глибинні шари грунту характеризуються відновлювальним середовищем, є метан і сірководень, але немає кисню. Відновне середовище змінюється окисним, де є кисень, але немає сірководню – у дуже вузькому шарі, тут є обидва гази – буквально кілька міліметрів. Саме і тільки там можуть розвиватися грунтові хемосинтетичні серобактерії. (Ще більш екзотично одночасна присутність кисню та водню.)

Однак на планеті є місця, де обидва гази – сірководень та кисень – присутні у достатніх концентраціях одночасно. І навіть зараз велика кількість органіки утворюється там в результаті хемосинтезу на основі сполук сірки, звичайно ж, вулканічного походження. Давайте з'ясуємо, звідки взагалі береться вулканізм. Ви чули про дрейф континентів? Хто не чув, згадайте карту світу і зверніть увагу на те, що, якщо Африку зрушити на захід, її контури дуже добре впишуться до берегів обох Америк. Так, континенти повільно пливуть! Африка та Америки розкололися та пливуть один від одного. Азія та Північна Америка пливуть назустріч один одному. Індія нещодавно відкололася від Африки, рвонулася на північний схід і врізалася в Азію. В результаті в місці зіткнення виросли Гімалаї та Тибет, а недавній землетрус на Алтаї стався через те, що вона все ще не може зупинитися. Земна кора під океанами набагато тонша, ніж під континентами. Континенти плавають нею як крижини. Коли континенти наступають на океан, як, наприклад, Євразія та Америка на Тихий, відбувається субдукція – континенти підминають під себе земну кору, вона поринає в мантію та розплавляється. Саме в зонах субдукції - наприклад по всій периферії Тихого океану - має місце вулканізм, який досить легко спостерігати у вигляді вулканів та гарячих джерел, багатих на сірку, в яких ми знаходимо хемосинтезуючі бактерії. Там, де континенти розходяться, а океан розкривається, як, наприклад, Атлантичний, континенти розтягують океанську земну кору у себе. В результаті посередині океану є тріщина. рифтова зона, через яку з мантії піднімається розплавлена ​​магма, застигає і утворює нову океанічну кору. Це область прихованого від наших очей, але набагато потужнішого вулканізму. По сторонах тріщини виростають підводні вулканічні гори, а сама тріщина все ж таки виглядає як западина між двома гірськими ланцюгами. Це називається – серединний океанічний хребет. Тут є безліч витікань вулканічних газів, багатих сполуками сірки та вуглекислим газом. Вони отримали назву чорних курців. Чому курців та чому чорних? Сполуки сірки з металами - сульфіди - як правило, пофарбовані в чорний колір. (До речі, хто знає, чому море Чорне? Тому що на певній глибині його вода насичена сірководнем і всі металеві предмети там чорніють). а сульфіди, що випали в осад, утворюють навколо джерел химерні споруди висотою в кілька десятків метрів.

У Чорному морі не йде активний хемосинтез, тому що на тій глибині практично немає кисню – це тому, що його конфігурація сприяє застою води. А в рифтових зонах океанів вода рухлива і кисень є. Важливо, що чорний курець підігріває воду і тим самим приводить її в рух, що сприяє газообміну. Тому навколо чорних курців йде найінтенсивніший хемосинтез, під час якого великі кількості вуглекислого газу фіксуються та переходять у біологічні органічні молекули.

Цей ресурс не проходить непоміченим для морських мешканців, тому навколо чорних курців формуються процвітаючі угруповання морських організмів. Їх основу складають хемосинтетичні бактерії, які покривають ці самі сульфідові споруди чорних курців рівним шаром.

У рифтовій зоні Тихого океану, на периферії чорних курців розташовуються колонії вражаючих тварин - вестиментифер. Їх відкрили лише близько 20 років тому, зараз відомо десятки два види. Вони являють собою щось на зразок черв'яків довжиною від 15-30 см до 2,5 м, що живуть у трубках, через відкритий кінець яких висовується вінець червоних щупалець. Вони належать до особливого сімейства многощетинкових кільчастих черв'яків - сибаглидам, хоча й отичаются від інших кільчастих черв'яків за будовою тіла; це сімейство раніше навіть вважалося окремим типом – погонофорами.

Вони добре розвинена кровоносна система, але немає ні рота, ні кишечника. Уздовж тіла у них проходить так звана трофосома (грецькою трофос - харчування, сома - тіло) - тяж, що складається з особливих клітин та кровоносних судин. Усередині клітин знаходяться хемосинтезуючі сірчані бактерії – лише одного виду (з близько двохсот у зовнішньому середовищі курців). Вони окислюють сірководень до сірчаної кислоти (яка нейтралізується карбонатами). Вестиментифери самоперетравлюють частину своїх клітин і таким чином харчуються.

Ось тут показано зовнішню та внутрішню будову вестиментифери:

(і навіть цикл розвитку)

Постає питання, а як сірководень потрапляє у трофосому? Він транспортується туди гемоглобіном крові разом із киснем. Кисень зв'язується з гемом, сірководень – з білковою частиною гемоглобіну. Червоні (від гемоглобіну) щупальця служать зябрами – вони поглинають кисень та сірководень. Отже, вестиментифери існують з допомогою симбіозу – взаємовигідного співжиття з організмами іншого типу. І будують своє тіло з органіки, одержаної в результаті хемосинтезу (але з використанням хемосинтетичного кисню). У колоніях вестиментифер за рахунок хемосинтетичної органіки (переважно просто харчуючись вестиментиферами) живуть краби, креветки, усоногі ракоподібні, двостулкові молюски, восьминоги, риби тощо.

І зауважте, жодних рослин! Тільки бактерії та тварини. Нагадаємо, що на цих глибинах сонячне світло повністю відсутнє.

Все це є сусідами з практично неживими океанськими глибинами, куди майже не досягає фотосинтетична органіка, що надходить з океанської поверхні, оскільки майже вся вона утилізується мікроорганізмами по дорозі. Там донна біомаса становить лише 0,1–0,2 г/м 2 (оцінка густини біомаси біля курців мені не зустрічалася, але вона на кілька порядків більша).

Таке буяння життя можливе тому, що за рахунок конвекційного перемішування в чорних курцях є досить широка зона вод, в яких є одночасно і сірководень, і кисень. (Тоді як зона одночасної присутності цих газів у ґрунті становить лише кілька міліметрів.) До речі, при нестачі молекулярного кисню ті самі бактерії можуть використовувати його з нітратів, відновлюючи їх до нітритів.

Геологи давно знаходили загадкові трубки у родовищах срібних, мідних та цинкових руд, які утворилися 350 млн. років тому. Родовища формувалися із сульфідів рифтової зони. Вестиментифери тоді вже були. Для порівняння: динозаври вимерли 65 млн. років тому.

Зробимо один відступ. Дещо раніше вестиментифер було відкрито їхні родичі – погонофори – переважно глибоководні морські організми подібного будови. Замість трофосоми вони мають так званий серединний канал – щось на зразок закритого з обох кінців кишечника. У ньому також живуть симбіотичні бактерії, але не хемосинтетичні, а метанотрофні. Вони «живляться» метаном ( CH 4 ). А що ми знаємо про метан? Це один із основних компонентів природного газу. Зважаючи на все, погонофори живуть у районах розташування підводних мідродень нафти і газу і можуть на них вказувати.

Що характерно, у рифтовій зоні Атлантичного океану вестиментиферу немає. Швидше за все, вони просто не встигли туди потрапити за час існування цього океану. Зате там, як і в Тихому океані, є:

1) креветки, у яких сірководневі симбіонтні бактерії живуть на поверхні ротових кінцівок;

2) двостулкові молюски, у яких вони живуть у зябрах;

3) яскраво-червоні багатощетинкові черв'яки, у яких вони живуть на поверхні тіла (причому черв'як може їх якимось чином засвоювати через поверхню).

Як сказано раніше, всі організми спільноти чорних курців виготовлені з органіки, отриманої з вуглекислого газу вулканічного походження за допомогою енергії сполук сірки вулканічного походження. Однак, оскільки всі вони (включаючи бактерії) використовували як окислювач вільний кисень, все ж таки не можна сказати, що вони існують незалежно від фотосинтезу. Де-факто в життя цих екосистем на паритетних засадах вклалися хемосинтез та фотосинтез. Надра Землі доставили у ці екосистеми відновник, а Сонце (через фотосинтезуючі рослини) – окислювач. Слід зазначити, що джерело окислювача – молодше, ніж джерело відновника. Енергія Сонця береться із термоядерного синтезу гелію з водню. Енергія ж хімічних сполук надр Землі була запасена в них, грубо кажучи, при формуванні Землі, а вона формувалася з космічного газу та пилу одночасно з Сонцем, у складі Сонячної системи загалом. Сонце – зірка другого покоління, отже, Сонячна система, включаючи землю, сформувалася внаслідок конденсації речовини, викинутого під час вибухів наднових зірок першого покоління.

Історія еволюції біологічних процесів обміну речовини та енергії на Землі

Ми з вами, як тварини, оточені в основному тваринами та рослинами, не повинні забувати про різноманітність можливих варіантів організації обміну речовини та енергії у живих істот. Всі вони (і навіть напевно такі, про які ми не здогадуємося) були реалізовані у прокаріотів, тоді як еукаріоти успадкували лише два з них – «тварини» та «рослини». Взагалі ж «економічна» сторона життя має, подібно до марксизму (хоча цей жарт навряд чи зараз актуальна), має три джерела: енергії, вуглецю та електронів (тобто речовина, яка використовується як відновник; з елементів донором електронів найчастіше є водень) .

За джерелом енергії всі живі істоти поділяються на фототрофів, що використовують енергію світла, і хемотрофів, які використовують енергію хімічних зв'язків.

За джерелом вуглецю вони поділяються на автотрофів – які використовують вуглекислий газ, і гетеротрофів – які використовують органічні речовини.

За джерелом електронів вони поділяються на органотрофів - органіки, що використовують водень, і літотрофів - що використовують неорганічні речовини - похідні літосфери. Це можуть бути молекулярний водень, аміак, сірководень, сірка, чадний газ, сполуки заліза та ін.

Скажіть, хто за цією потрійною класифікацією ми з вами? Не використовуємо енергію світла Безпосередньо, ми використовуємо енергію поживних речовин. Отже ми хемотрофи. Звідки беремо вуглець для побудови молекул свого тіла? Теж із їжі, отже, ми гетеротрофи. А звідки беремо електрони? Яку речовину ми окислюємо? Напевно, найнетривіальніше питання. Давайте здогадаємось. Вище неодноразово було сказано, що кисень є сильним окислювачем. Можна здогадатися, що окиснення відбувається там, де використовується кисень. Де використовується? У всіх випадках: і в побутовому, і біохімічному цей процес називається диханням. Згадаймо узагальнене рівняння дихання:

(CH 2 O) + O 2 = CO 2 + H 2 O.

Ми бачимо, що кисень відібрав водень від вуглеводу, при цьому його окислює. І тут вихідним джерелом електронів є органіка їжі.

Отже, ми, тварини – хемоорганогетеротрофи.

А рослини? Вони фототрофи, це зрозуміло. Вони автотрофи, це ми також засвоїли. А що вони зрештою окислюють? Давайте тепер знову пригадаємо рівняння фотосинтезу. Власне, згадувати нічого і не треба, просто переставимо праву та ліву частини попереднього рівняння:

CO2 + H2O = (CH2O) + O2.

Окислюється тут сам великий окислювач – кисень. У молекулярному кисні ступінь окислення в нього 0, у всіх речовинах ліворуч -2. А відновлюється вуглець (який окислюється у зворотній реакції). Він знаходиться у неорганічній речовині – вуглекислому газі. Згадаймо, однак, що фотосинтез іде у дві стадії і кисень утворюється у процесі фотолізу води, коли електрони відриваються від молекули води. Вода теж неорганічна сполука, таким чином, рослини – фотоавтолітотрофи.

Наша лекція присвячена отриманню енергії та фіксації вуглецю з вуглекислого газу в органіку. Але в біологічній органіці є інші важливі елементи. Багато з них, такі як фосфор, сірка, доступні у водорозчинних речовинах. Інша річ азот. Він також доступний у водорозчинних речовинах, таких як солі амонію, нітрити та нітрати. Однак майже всі вони в сучасному світі (за винятком продуктів вулканізму) самі біогенного походження, а абіоген азот існує тільки в молекулярній формі. Тому фіксація атмосферного азоту – як така важлива проблема. Її вміють вирішувати лише бактерії, зокрема й ціанобактерії. Не обтяжуватимемо вас біохімічними схемами фіксації азоту. (Зауважимо, що у всіх таких схемах усі найважливіші дійові особи – ферменти – завжди залишаються за кадром через свою незвичайну складність: у схемах малюють лише взаємоперетворення субстратів та продуктів ферментативних реакцій.)

Зробимо невеликий уявний екскурс у проблему виникнення життя. Як ви вважаєте, хто з'явився раніше – автотрофи чи гетеротрофи? На думку може спасти проста думка, що оскільки автотрофи створюють органічні речовини, а гетеротрофи їх тільки їдять, то життя мало починатися з автотрофів, оскільки гетеротрофам, якби вони з'явилися першими, просто нічого було б «є». Ця думка зовсім неправильна. Вона є доведенням до абсурду принципу актуалізму- Реконструкції ситуацій минулого на основі того, що є зараз. Гетеротрофи повинні були з'явитися раніше автотрофів, оскільки вони елементарно можуть бути набагато простіше влаштовані - адже отримувати енергію шляхом руйнування складних молекул простіше, ніж будувати ці складні молекули з простих, одержуючи енергію з якогось іншого джерела. Принцип «ламати – не будувати» абсолютно універсальний, оскільки є досить точним відображенням другого початку термодинаміки.

У нас немає жодних підстав припускати, що життя спочатку виникло як щось одразу дуже складне, тому ми повинні розглядати виникнення та еволюцію життя як шлях від простого до складного. Звідки взагалі виникло життя? Загалом, якщо відкинути казкові варіанти, то єдине, що спадає на думку і нам, і серйозним ученим – це те, що найперші живі системи самоорганізувалися з якоїсь «неживої» органіки, якої для цього мало бути досить багато. Згідно з сучасними даними науки, так воно і було: на поверхні Землі тоді існувало дуже багато досить складних органічних сполук, що з'явилися позабіологічним шляхом. Ось і "їжа" для перших гетеротрофів! Але вона мала б досить швидко закінчитися. Гетеротрофи деякий час могли б їсти один одного, але за всіх подібних процесів йдуть неминучі втрати речовини та енергії. Їхні запаси в біосфері мали якимось чином поповнюватися. Отут уже ситуацію врятувала поява автотрофів.

Напевно, це не були фотоавтотрофи. Фотосинтез дуже складно організований. Усі вчені одностайні на думці, першими автотрофами були хемоавтотрофи. Ми вже переконалися, що хімічні шляхи отримання енергії з неорганічних речовин навіть зараз відрізняються різноманітністю. Цілком очевидно, що на зорі становлення життя ця різноманітність була ще більшою, як було більше і різноманітність хімічних ситуацій. Тоді був набагато активнішим вулканізм і бомбардування космічними тілами, в атмосфері був відсутній у значних концентраціях вільний кисень, що дозволяло існувати на земній поверхні різноманітним неорганічним відновникам (аміак, водень та ін.), зрештою була присутня органіка абіогенного походження. Атмосфера тоді мала відновлювальний характер і дефіцит був швидше окислювач. Все це мало провокувати організми, які виникли з абіогенної органіки саме як споживачі цієї самої органіки, переходити на найрізноманітніші неорганічні джерела енергії.

Але й хемоавтотрофи вирізняються дуже складною біохімією. Будь-яка відома нам автотрофність вимагає систем, пов'язаних із створенням та використанням різниці концентрації протонів по сторонах мембрани, насамперед ланцюга перенесення електронів та АТФ-синтетази. Як же це все виникло? Із цього приводу є дуже правдоподібна, хоч і досить несподівана, теорія про те, які стадії відбувався розвиток первісного життя на нашій планеті.

1. Винахід гліколізу. Єдиний універсальний і при цьому малоефективний механізм отримання енергії у живих істот - це гліколіз. Очевидно, перші живі істоти існували за рахунок того, що отримували деяку кількість АТФ за допомогою подібних до сучасного гліколізу процесів окислення наявної в середовищі багатої воднем абіогенної органіки (з якої вони самі і самоорганізувалися), іншими словами, за рахунок бродіння. У ході цих процесів еектрони і водень за допомогою НАД-Н або НАДФ-Н переноситься з одних органічних молекул на інші. Як правило, відновлені молекули йдуть на побудову живої речовини, а окислені викидаються у навколишнє середовище у вигляді відходів виробництва. Такі молекули зазвичай є органічні кислоти (молочна, оцтова, мурашина, пропіонова, масляна, бурштинова – всі ці варіанти зустрічаються у сучасних бактерій).

2. Винахід протонного насоса. Як наслідок цієї первинної хімічної активності життя навколишнє середовище неухильно закислялося. Можна припустити, що на якійсь стадії розвитку життя багаті на органіку води Землі – як мінімум насичені ними грунти або навіть увесь Світовий океан – у буквальному значенні прокиснули. Закислення водного середовища зажадало розвиток систем активної відкачування протонів із клітин з метою підтримки їхнього внутрішнього середовища. Таке відкачування велося з витратою АТФ спеціальними білковими насосами, що пронизували клітинну мембрану.

Живі організми цієї стадії продовжували залишатися гетеротрофами.

3. Винахід ланцюга перенесення електронів. Абіогенна органіка була невідновним ресурсом. Її залишалося дедалі менше, видобувати АТФ шляхом гліколізу ставало дедалі важче. А опір прогресуючого закислення за допомогою протонних насосів вимагало все більше АТФ. Для вирішення проблеми закислення іншим способом були винайдені системи пов'язаних з мембранами білків, які здійснювали трансмембранний транспорт протонів проти градієнта концентрації за рахунок енергії окислювально-відновних реакцій, пов'язаних з перенесенням електронів з одних речовин, що були в середовищі в надлишку на інші, але вже без НАД -Н чи НАДФ-Н. Такими речовинами були накопичені серед органічних кислоти і неорганічні речовини. Системи трансмембранного експорту протонів, про які йшлося, та були прообразом ланцюга перенесення електронів. Бактерії, що живуть у кислому середовищі, досі використовують ланцюг перенесення електронів для підтримки менш кислого внутрішнього середовища. За рахунок виникнення ланцюга переносу електронів було досягнуто економії АТФ, тому носії цього ланцюга отримували безперечну перевагу перед тими організмами, які її не мали.

4. Винахід АТФ-синтетази. Системи експорту протонів через мембрану, що використовують окислювально-відновлювальні реакції, поступово вдосконалювалися і зрештою перевершили ефективність АТФ-залежні мембранні насоси. Це дало змогу звернути роботу останніх. Тепер вони, навпаки, запускалипротони всередину клітини, синтезуючи у своїй АТФ з АДФ. Так виникла АТФ-синтетаза, що використовує для синтезу АТФ різницю у концентрації протонів. Як сказано вище, дія АТФ-синтетази оборотна – при високих концентраціях АТФ та невеликій різниці потенціалів по обидві сторони мамбрани, вона, навпаки, створює градієнт концентрації протонів. Саме як протонний насос АТФ-синтетазу (а цей білковий комплекс є у всіх без винятку сучасних живих істот) працює у анаеробних бактерій.

Створення АТФ-синтетази було найважливішим проривом. На цій стадії організми вирішили і проблему підтримання внутрішнього середовища, і проблему одержання енергії, вперше ставши з гетеротрофів автотрофами, а саме хемоавтотрофами. Подібно до сучасних хемоавтотрофів, вони отримували енергію за рахунок окисно-відновних реакцій з використанням ланцюга переносу електронів. Однак, крім енергії для життя, необхідний синтез відновленої органіки. Її абіогенні запаси на той час практично вичерпані. Для синтезу такої органікиde novoнеобхідні сильні донори водню, такі як відновлений кофермент НАДФ-Н. Відновлення цього коферменту може йти, як і синтез АТФ, за рахунок різниці концентрації протонів шляхом звернення ланцюга перенесення електронів та роботи ферменту, аналогічного сучасної НАД-Н-дегідрогенази, який тоді працював у зворотному напрямку – відновлював НАД-Н із НАД+.

Звертаємо вашу увагу, що ці організми були анаеробними хемотрофами, які в сучасному світі зустрічаються виключно рідко. Без такого сильного окислювача, як кисень, швидше за все перші схеми хемосинтезу були засновані на окислювально-відновних реакціях з незначним енергетичним виграшем. Ідея використання протонного градієнта полягала в тому, що невеликий виграш багатьох таких реакцій підсумовувався в ньому і міг бути використаний у таких реакціях, що потребують значних витрат енергії, як відновлення НАДФ-Н.

5. Винахід фотосинтезу та фотосистеми 1. Як бачимо, багато передумов для фотосинтезу до цього часу вже існували – були винайдені АТФ-синтетаза, ланцюг перенесення електронів та біохімічні шляхи синтезу органіки з використанням НАД-Н. До фотосинтезу залишався один крок – поява пігментів, здатних вловлювати енергію фотонів і передавати її в систему окислювально-відновних реакцій, пов'язаних із ланцюгом перенесення електронів. Антенні системи сучасних фотосинтетиків відрізняються великою складністю, у перших вони напевно мали бути досить прості. Ми розглянули простий механізм використання енергії світла галобактеріями. Існує думка, що найпершими антенами, здатними вловлювати енергію фотонів, були ті самі старі знайомі – азотисті основи нуклеїнових кислот. Як ви пам'ятаєте, там теж існують резонансна система з подвійних і одинарних зв'язків, що чергуються, хоча і не таких вражаючих масштабів, як у хлорофілів.

Ймовірно, з фотосистем, що дійшли до наших днів, першою виникла фотосистема 1, що призвело до появи зелених сірчаних бактерій. Можливо, знову-таки, що історично першим виникло циклічне фотофосфорилювання, яке не потребувало зовнішніх окислювачів і відновників. Однак найбільш важливим була набута цією фотосистемою здатність прямо відновлювати НАДФ+ до НАДФ-Н за рахунок енергії сонячного світла, забираючи електрон, наприклад, у сірководню та окислюючи його до атомарної сірки, як у сучасних зелених сіркобактерій. Звернімо увагу, що сірка відіграє важливу роль у складі білків фотосистеми 1.

До речі, це сталося 3–4 млрд років тому, тобто лише через мільярд років після виникнення Землі. Час хемоавтотрофів минув, почався час фотоафтотрофів.

6. Винахід фотолізу води. Поява вільного кисню.Проблемою перших фотосинтетиків був дефіцит добрих неорганічних відновників. Вода - "дуже поганий" відновник, зате є в необмеженій кількості. Об'єднання двох фотосистем, успадкованих від зелених (фотосистема 1) і пурпурових (фотосистема 2) сірчаних бактерій в одну сполучену систему, що відбулося у синьо-зелених водоростей, (ціанобактерій) дозволило шляхом з'єднання енергії двох послідовно уловлених фотонів окислювати воду, відбираючи електрони атомів кисню. Це було важливим проривом в енергетиці перших організмів, які мали справді жахливі наслідки. З поєднанням двох фотосистем у предків ціанобактерій, або синьо-зелених водоростей, з'явилися організми з мінімальними потребами у хімічних речовинах довкілля. Це призвело до появи великої кількості біогенної відновленої органіки – життя почало процвітати. Однак на земній поверхні стала з'являтися така страшна отрута, як вільний кисень.

Спочатку весь кисень, що виділявся в ході фотосинтезу, йшов на окислення іонів двовалентного заліза, удосталь містилися в Світовому океані, до тривалентного, яке почало осаджуватися у вигляді оксидів заліза. Цей процес розпочався 2,7 млрд. років тому і закінчився близько 2 млрд. років тому. Усі ці 700 млн років (нагадаємо, що динозаври вимерли всього 65 млн років тому) на Землі існував фотосинтез сучасного типу, що супроводжувався фотолізом води, вільний кисень утворювався, проте в атмосфері він був відсутній. Це означає, що Землі ще винайдено дихання. І це означає знову-таки, що на планеті не було передумов існування ефективних гетеротрофів. Не могло йтися не лише про «тварини», а й про аеробні бактерії, які в сучасному світі відіграють таку важливу роль у розщепленні біогенної органіки. Можна сказати, що весь цей час на Землі існувало якесь золоте століття, земний рай, в якому ніхто нікого не їв (і не їв навіть трупи). Його населяли найдосконаліші і воістину безгрішні живі істоти, які «живилися» сонячним світлом, водою, вуглекислим газом та азотом повітря. Це були ціанобактерії, або синьо-зелені водорості (ті самі, які чудово існують і досі). Як найбільш автономні живі істоти вони досконаліші за рослини, оскільки, подібно до багатьох бактерій, вміють фіксувати азот атмосферного повітря. (Рослини цього не вміють і змушені використовувати окислений азот нітратів або відновлений азот амонію, який зараз має біогенне походження.) Синьо-зелені водорості жили та процвітали у вигляді колоній на мілководдях. Ці колонії мали більш менш кулясту форму і наростали з поверхні. На них осідали дрібні частинки ґрунту, збагаченого тривалентним залізом, які врешті-решт ховали відмерлі клітини всередині колонії. За відсутності «тварини» вік індивідуальної колонії міг бути дуже великий. Такі колонії збереглися у вигляді скам'янілостей, які називаються строматолітами(перекладається з грецької як «шаруваті камені»), камінням, що має структуру концентричних шарів, часто збагачених залізом.

7. Винахід дихання.Однак «безгрішність» ціанобактерій була здається. Виділяючи в ході фотолізу води такий сильний окислювач, як кисень, вони поволі отруїли Світовий океан і підготували крах свого мирного райського царювання, яке швидко змінилося тим звичним для нас пеклом голодних демонів, де живі істоти безперервно пожирають одна одну. (Це все звичайно ж метафора. Але ось нещодавно вийшов підручник біології, виданий Православною церквою, де йдеться, що до гріхопадіння Адама самки комарів, можливо, харчувалися нектаром квітів, який, мовляв, міг утримувати гемоглобін. Ось це вже не смішно, це спроба повернути (приблизно 2 млрд років тому двовалентне залізо в океані закінчилося і кисень став надходити в атмосферу). Сучасного змісту в атмосфері він досягнув між 1,5 і 0,5 млрд років тому. Поява кисню зажадала перебудови всієї біохімії практично всіх істот, що тоді жили, оскільки він у прямому сенсі отруював багато ферментів (вірніше, коферменти). У той же час у середовищі з'явився потужний окислювач, який був пристосований як акцептор електоронів у ланцюгах перенесення електронів, чим суттєво підвищив їхню ефективність. Так виникло клітинне дихання. Багато сучасних пурпурових бактерій вміють перебудовуватися з фотосинтезу на дихання з використанням одних і тих же ланцюгів перенесення електронів.

Тільки на цій стадії стала можливою поява гетеротрофів, які користуються процесами ефективнішими, ніж гліколіз, причому набагато ефективнішими (згадайте – у 18 разів!). Розпочався ренесанс гетеротрофів. Ви знаєте, що зараз існує величезна кількість аеробних бактерій. Всі вони походять від фотосинтетичних бактерій, що втратили здатність до фотосинтезу, але зберегли ланцюг перенесення електронів. Навіть наша кишкова паличка походить від пурпурових бактерій! Виникли причини появи організмів, які живуть з допомогою ефективного окислення органіки, виробленої автотрофами. Тим самим безроздільне царювання автотрофів було покладено край. Немаловажно, що разом із припиненням відкладень тривалентного заліза у цей час катастрофічно скоротилося нафтонакопичення. Якщо раніше біогенної органіки утворювалося так багато, що її надлишки після довгих хімічних перетворень відкладалися у надрах у вигляді нафти, яка послужила бонусом для таких віддалених нащадків організмів тих днів, як ми з вами, то з появою дихання виник ажіотажний попит на цю органіку, яку новий агресивний споживач почав забирати прямо від виробника.

8. Поява мітохондрій та пластид. Близько 1,5 млрд років тому деякі аеробні бактерії стали жити в клітинах примітивних (і спочатку анаеробних!) еукаріотів і згодом перетворилися на мітохондрії. З цього моменту стала можливою поява тварин, спочатку одноклітинних. Всі сучасні еукаріоти мають мітохондрії, і всі ці мітохондрії споріднені між собою і явно були «одомашнені» лише один раз. Позбавлені мітохондрій первинні анаеробні еукаріоти до наших днів не дійшли. Пізніше деякі ціанобактерії, також перейшовши до життя всередині еукаріотів, перетворилися на пластиди водоростей, причому це відбувалося у різних водоростей як мінімум тричі. Від зелених водоростей згодом походять рослини. У всіх випадках пластиди були придбані клітинами, які вже мали мітохондрії. Ці клітини «вміли дихати», але з вміли синтезувати органіку, т. е. це були тваринні клітини. Таким чином, рослини, тобто здатні до фотосинтезу еукаріоти, що мають пластиди та мітохондрії, походять від тварин (звичайно, це відбувалося на одноклітинному рівні).

Ми бачимо, що розвиток, або еволюціяжиття Землі (про значення слова «еволюція» ми докладніше поговоримо в 15-й лекції), проходила дуже нерівномірно. Періоди довжиною в сотні мільйонів років, коли нічого принципово нового не відбувалося, змінювалися швидкими конструктивними проривами, внаслідок яких образ Землі кардинально перетворювався. Кожен із цих проривів супроводжувався винаходом способу подолання якогось дефіциту – спочатку це був дефіцит відновників, а потім і дефіцит окислювачів. Кожного з таких «винаходів» доводилося чекати сотні мільйонів або мільярди років, що говорить лише про те, що вони відбувалися випадково – будь-яка «цілеспрямована» інженерна діяльність була б набагато ефективнішою. В результаті життя на землі навчилося обходитися найнедефіцитнішими ресурсами – водою, вуглекислим газом, атмосферним азотом, а головним джерелом енергії – невідновлюваним (!), але практично невичерпним стало сонячне світло. Можливо, лик Землі ще має змінюватися, і не виключено, що тепер уже внаслідок «розумної» діяльності людини. А от наскільки вона виявиться доцільною і чи не приведе людину і життя у відомих нам формах до загибелі – це ще питання.

Закінчується шоста лекція. Перша була присвячена визначенню життя, а п'ять інших – всілякої хімії. І це вірно! Згадаймо те визначення життя, на якому ми тоді зупинилися: сукупність самопідтримуваних відкритих систем, що існують, у вигляді особливих структур, за рахунок постійної протоки речовини та припливу енергії і здатних до більш-менш точного самовідтворення.

Більшість того, про що тут йдеться, реалізується на розглянутому нами хімічному рівні. За більш менш точне самовідтворення відповідають нуклеїнові кислоти, здатні до матричного біосинтезу. Протікання речовини та приплив енергії реалізується за допомогою ферментативних реакцій за участю досить простих органічних кислот, особливих нуклеотидів, коферментів-посередників і складніших білково-пігментних систем, таких як фотосистеми та ланцюг переносу електронів. Мабуть, за межі розглянутої нами хімії виходить лише застереження «у вигляді спеціальних структур». Нам з вами у двох схожих між собою випадках вже були потрібні особливі структури – простір, обмежений мембраною, по різні боки якої створюється різниця в концентрації протонів – внутрішній простір мітохондрії в процесі окисного фосфорилювання та внутрішній простір тилакоїда у разі світлової стадії фотосинтезу. Насправді за кадром нашого розгляду весь час залишалася щонайменше зовнішня мембрана клітини, яка відмежувала наш хімічний реактор із тонко налаштованою концентрацією різних речовин від зовнішнього простору.

Таким чином, ми розглянули майже всю сутність життя, яке нам необхідно доповнити його структурною організацією. До цього ми й перейдемо у наступній лекції, бо, по суті, вся біологія понад біохімію – це наука про біологічні структури. Ми розпочнемо зі структур на так званому клітинному рівні.

Як пояснити такий складний процес, як фотосинтез, стисло і зрозуміло? Рослини є єдиними живими організмами, які можуть виробляти власні продукти харчування. Як вони це роблять? Для зростання і одержують всі необхідні речовини з навколишнього середовища: вуглекислий газ - з повітря, воду та - з ґрунту. Також вони потребують енергії, яку одержують із сонячних променів. Ця енергія запускає певні хімічні реакції, під час яких вуглекислий газ і вода перетворюються на глюкозу (живлення) і є фотосинтез. Стисло процесу можна пояснити навіть дітям шкільного віку.

"Разом зі світлом"

Слово "фотосинтез" походить від двох грецьких слів - "фото" та "синтез", поєднання якого в перекладі означає "разом зі світлом". У сонячну енергію перетворюється на хімічну енергію. Хімічне рівняння фотосинтезу:

6CO 2 + 12H 2 O + світло = З 6 Н 12 О 6 + 6O 2 + 6Н 2 О.

Це означає, що 6 молекул вуглекислого газу та дванадцять молекул води застосовуються (разом із сонячним світлом) для виробництва глюкози, в результаті утворюються шість молекул кисню і шість молекул води. Якщо зобразити це як словесного рівняння, то вийде таке:

Вода + сонце => глюкоза + кисень + вода.

Сонце є дуже сильним джерелом енергії. Люди завжди намагаються використовувати його для вироблення електрики, утеплення будинків, нагрівання води і таке інше. Рослини "придумали", як використовувати сонячну енергію ще мільйони років тому, бо це було потрібно для їхнього виживання. Фотосинтез коротко і зрозуміло можна пояснити таким чином: рослини використовують світлову енергію сонця і перетворюють її на хімічну енергію, результатом якої є цукор (глюкоза), надлишок якого зберігається у вигляді крохмалю в листі, корінні, стеблах і насінні рослини. Енергія сонця передається рослинам, і навіть тваринам, які ці рослини їдять. Коли рослина потребує поживних речовин для зростання та інших життєвих процесів, ці запаси виявляються дуже корисними.

Як рослини поглинають енергію сонця?

Розповідаючи про фотосинтез коротко і зрозуміло, варто порушити питання про те, яким чином рослинам вдається поглинати сонячну енергію. Це відбувається завдяки особливій структурі листя, що включає зелені клітини - хлоропласти, які містять спеціальну речовину під назвою хлорофіл. Це що надає листям зеленого кольору та відповідає за поглинання енергії сонячного світла.

Чому більшість листя широкі та плоскі?

Фотосинтез відбувається у листі рослин. Дивним фактом є те, що рослини дуже добре пристосовані для уловлювання сонячного світла та поглинання вуглекислого газу. Завдяки широкій поверхні захоплюватиметься набагато більше світла. Саме тому сонячні панелі, які іноді встановлюють на дахах будинків, також широкі і плоскі. Чим більша поверхня, тим краще відбувається поглинання.

Що ще важливе для рослин?

Як і люди, рослини також потребують корисних та поживних речовин, щоб зберегти здоров'я, рости та виконувати добре свої життєві функції. Вони одержують розчинені у воді мінеральні речовини із ґрунту через коріння. Якщо в ґрунті не вистачає мінеральних поживних речовин, рослина не розвиватиметься нормально. Фермери часто перевіряють ґрунт для того, щоб переконатися, що в ньому є достатня кількість поживних речовин для зростання культур. В іншому випадку вдаються до використання добрив, що містять основні мінерали для живлення та росту рослин.

Чому фотосинтез такий важливий?

Пояснюючи фотосинтез коротко і зрозуміло для дітей, варто розповісти, що цей процес є однією з найважливіших хімічних реакцій у світі. Які є причини для такого гучного твердження? По-перше, фотосинтез годує рослини, які, своєю чергою, годують всіх інших живих істот планети, включаючи тварин і людини. По-друге, в результаті фотосинтезу в атмосферу виділяється необхідний дихання кисень. Усі живі істоти вдихають кисень та видихають вуглекислий газ. На щастя, рослини роблять все навпаки, тому вони дуже важливі для людини та тварин, тому що дають їм можливість дихати.

Дивовижний процес

Рослини, виявляється, теж вміють дихати, але, на відміну людей і тварин, вони поглинають із повітря вуглекислий газ, а чи не кисень. Рослини також п'ють. Ось чому треба поливати їх, інакше вони помруть. За допомогою кореневої системи вода та поживні речовини транспортуються у всі частини рослинного організму, а через маленькі отвори на листках відбувається поглинання вуглекислого газу. Пусковим механізмом для запуску хімічної реакції є сонячне світло. Всі одержані продукти обміну використовуються рослинами для харчування, кисень виділяється в атмосферу. Ось так можна пояснити коротко і зрозуміло, як відбувається процес фотосинтезу.

Фотосинтез: світлова та темнова фази фотосинтезу

Розглянутий процес і двох основних частин. Існують дві фази фотосинтезу (опис та таблиця - далі за текстом). Перша називається світловою фазою. Вона відбувається лише у присутності світла в мембранах тилакоїдів за участю хлорофілу, білків-переносників електронів та ферменту АТФ-синтетази. Що ще ховає фотосинтез? Світлова і змінюють один одного в міру настання дня та ночі (цикли Кальвіна). Під час темнової фази відбувається виробництво тієї самої глюкози, їжі для рослин. Цей процес називають ще незалежною від світла реакцією.

Висновок

З усього вищесказаного можна зробити такі висновки:

• Фотосинтез – це процес, який дозволяє отримувати енергію від сонця.
• Світлова енергія сонця перетворюється на хімічну енергію хлорофілом.
• Хлорофіл надає рослинам зеленого кольору.
• Фотосинтез відбувається у хлоропластах клітин листя рослин.
• Вуглекислий газ та вода необхідні для фотосинтезу.
• Вуглекислий газ надходить у рослину через крихітні отвори, продихи, через них виходить кисень.
• Вода вбирається в рослину через її коріння.
• Без фотосинтезу у світі не було б їжі.

Синтез АТФздійснюється трьома способами: фотосинтетичне фосфорилювання, окисне фосфорилювання (пов'язане з транспортом електронів дихальним ланцюгом) і субстратне фосфорилювання.

У перших двох процесах перетворення енергії, що надійшла з потоком електронів, в енергію фосфоефірних зв'язків АТФздійснює особливий фермент – АТФ-синтетаза. Цей фермент присутній у всіх мембранах, що беруть участь у перетворенні енергії (мембрани бактерій, мітохондрій та хлоропластів). АТФ-синтетазакаталізує приєднання неорганічного фосфату (Фн) до АДФ, утворення якого здійснює аденілаткіназа (АМФ + АТФ = 2 АДФ). Активність АТФ-синтетазиможна виявити зворотної реакції гідролізу АТФ: АТФ + Н20 = АДФ + Фн + Н +. Завдяки оборотності реакції фосфорилювання, АТФ, що накопичився, може бути використаний для створення протонного градієнта, що забезпечує енергією рух джгутиків і осмотичну роботу. Енергія також спрямовується для зворотного перенесення електронів, необхідного для відновлення нікотинамідаденіндінуклеотиду (НАД) при використанні бактеріями неорганічних донорів електронів (S03, N03, Fe2+ та ін.).

Отримання енергії у процесі фотосинтезу. Бактерії фототрофи. Реакція фотосинтезу.

Отримання енергії у процесі фотосинтезу. Основне джерело енергії для життя на Землі – Сонце, але безпосередньо утилізувати енергію інсоляції у світі бактерій здатні лише нечисленні бактерії фототрофи[від грец. photos, світло, + trophe, харчування]. Фотосинтезуючі бактерії, подібно до рослин, перетворюють енергію видимого світла в протонний потенціал на енергоперетворюючій мембрані. В подальшому за допомогою АТФ-синтетазиенергія консервується у АТФ. Основна ознака, що відрізняє фотосинтегічні реакції у пурпурових і зелених бактерій від таких у рослин і ціанобактерій, - відсутність виділення кисню (оскільки донором електронів вони використовують не воду, a H2S або органічні речовини). У бактерій аналог хлоропластів рослинних клітин хроматофори, що містять хлорофілта каротиноїдні пігменти.

Таким чином, під фотосинтезомрозуміють те, що відбувається в клітинах фототрофних організмів, перетворення світлової енергії в біохімічно доступну енергію (протонний градієнт на мембрані тилакоїдів і хлоропластів, АТФ) і відновлювальну силу НАДФН+, а також пов'язаний з цим синтез клітинних компонентів. Реакції фотосинтезупротікають у дві стадії (світлова та темнова фази).

Світлова фаза фотосинтезу. Під дією фотонів електрон хроматофор активується, потім він повертається у вихідний стан. При цьому вивільняється енергія, яка використовується для створення протонного градієнта, а потім синтезу АТФ та відновлення нікотинамідаденіндінуклеотидфосфату (НАДФ) до НАДФН +. Останнє може відбуватися рахунок зворотного транспорту електронів із витратою АТФ.

Темнова фаза фотосинтезу. Утворені макроергічні сполуки використовуються для асиміляційного відновлення С02 глюкозу. Глюкоза містить значну кількість енергії (близько 690 ккал/моль), що використовують гетеротрофні бактерії, розкладаючи глюкозу і запасаючи енергію в універсальному зберігачі - АТФ.