Фотосинтез.

Загальне рівняння фотосинтезу.

Процес фотосинтезу виражають сумарним рівнянням:

світло

СО₂ + Н₂О → {СН₂ О} + О₂,

хлорофіл

у якому виражена суть явища, що складається в тому, що на світлі в зеленій рослині із гранично окислених речовин – діоксиду вуглецю й води утворюються органічні речовини й вивільняється молекулярний кисень. Фотосинтез - це процес трансформації поглиненої енергії світла в хімічну енергію органічних сполук. Причому в процесі фотосинтезу відновлюються не тільки СО2, але й нітрати або сульфати, а енергія може бути спрямована на різні ендергонічні процеси, у тому числі на транспорт речовин.

У процесі еволюції рослин сформувався спеціалізований орган фотосинтезу – листок. У середньому листи поглинають 80-85% енергії фотосинтетично активної радіації (ФАР), що є видимою частиною спектру електромагнітного випромінювання з довжиною хвилі 400-700 нм, і 25% енергії інфрачервоних променів, що складає близько 55% енергії загальної радіації, або 16,5105 Дж/(м²-ч).

Листок відбиває 10% ФАР і 45% інфрачервоних променів і пропускає відповідно 5 і 30%. На фотосинтез використається 1,5-2% поглиненої синтетично активної радіації, інша поглинена енергія витрачається в основному на випаровування води – транспірацію (95-98%), можливий також і теплообмін з атмосферою.

Листкова поверхня досягає значних розмірів і перевершує площа ґрунту, що займає рослина. Для характеристики розмірів фотосинтетичного апарата використають індекс листової поверхні (L), що розраховують як площа листів (м²), що доводиться на 1 м² ґрунту. Для сільськогосподарських рослин помірної зони середні значення листового індексу 3-5, у південних широтах з вологим кліматом до 8-10. Наприклад, поверхня листів 1 га посівів зернових культур у фазі цвітіння досягає 20-40 тис. м², у низькорослих яблунь під час вегетації площа листків становить 25- 30 тис. м²/га.

Фотосинтез пов'язаний з вибірковим поглинанням пігментами світла у видимій частині сонячного спектра. Фотосинтетичні пігменти становлять 10-15% сухої маси хлоропластів. По хімічній природі діляться на дві групи – хлорофіли та каротиноїди.

Пластидні пігменти – хлорофіли, каротиноїди, фікобіліни.

Хлорофіли. Хлоропласти вищих рослин містять хлорофіл а й хлорофіл б. Вони були ідентифіковані російським вченим М.С. Цвєтом (1906 р.) за допомогою розробленого їм методу хроматографії. Структурна формула хлорофілу, запропонована Г. Фішером (1939 р.), одержала остаточне підтвердження в I960 р. у результаті двох незалежно проведених робіт у США й ФРН по штучному синтезу хлорофілу а.

Хлорофіл – складний ефір дикарбонової кислоти хлорофіліна, у якої одна карбоксильна група етерифікована залишком метилового спирту (СН₃ОН), а інша - залишком одноатомного неорганічного спирту фітолу (С₂0Н₃₉ОН):

Н а малюнку наведена структурна формула хлорофілу а. Чотири пірольних кільця (I—IV) з'єднані між собою метиновими містками, які утворюють порфіринове ядро. Атоми азоту пірольних кілець чотирма координаційними зв'язками взаємодіють із атомом Mg. У структурі порфіринового ядра є також циклопентанове кільце, що містить хімічно активну карбонільну групу. Структура, що складається з тетрапірольного й циклопентанового кілець, одержала назву форбіна.

Порфиринове кільце – це система з дев'яти пар подвійних й одинарних, тобто кон‘югованих зв'язків, які чергуються з 18 делокалізованими π-електронами. Хлорофіл b відрізняється від хлорофілу а тим, що у третього вуглецю другого пірольного кільця замість метильної знаходиться альдегідна група. Структура хлорофілу, позбавлена фітолу, називається хлорофілідом. При заміщенні атома магнію протонами водню утворюється феофітин.

Оптичні властивості. Відмінною рисою всіх пігментів є наявність в їхньому складі системи слабко утримуваних делокалізованих електронів, що порушуються квантами видимої частини сонячного спектра. Це лежить в основі їхньої властивості – вибіркового поглинання світла. Різко виражені максимуми поглинання хлорофілів перебувають у синьо-фіолетовій і червоній частинах спектра. Максимуми поглинання розчину хлорофілу а в етиловому спирті – 428-430 й 660-663 нм відповідно, хлорофілу b – 452-455 й 642-644 нм. Хлорофіли дуже слабко поглинають жовтогарячі й жовті промені й зовсім не поглинають зелені й інфрачервоні. Тому розчин хлорофілу а має зелений або синьо-зелений колір, хлорофілу b – жовто-зелений.

Поглинання в синьо-фіолетовій частині спектра обумовлено системою кон‘югованих 9 пар одинарних і подвійних зв'язків порфиринового ядра молекули хлорофілу з 18 делокалізованими π-електронами, які збуджуються квантами з енергією 4,5x10-19 Дж, що відповідає цим променям. Поглинання в червоній області спектра (енергія кванта 3x10-19 Дж) пов'язане з гідруванням подвійного зв'язку у С₇-С₈ в IV пірольному кільці, присутністю магнію в порфириновому ядрі й наявністю циклопентанового кільця (V). Саме ці особливості структури сприяють зниженню поглинання в жовтій і зеленій частинах спектра.

В хлорофілу b, що відрізняється від хлорофілу а заміною метильної групи на альдегідну, максимуми поглинання світла виявляються більше зближеними за рахунок зсуву синьо-фіолетового в довгохвильову, а червоного – у короткохвильову області. Крім того, хлорофіл b більш повно використовує синьо-фіолетове світло, ніж хлорофіл а; у червоних променях переваги має хлорофіл а.

Розчин хлорофілу має яскраву червону-вишнево-червону флуоресценцію – випромінюванням поглинених квантів світла. Відповідно до правила Стокса флуоресценція зрушена в більше довгохвильову частину в порівнянні з поглинанням світла, максимум флуоресценції 650-668 нм. Хлорофіл у живому листі флуоресціює слабко. Це пов'язане з тим, що енергія поглинених квантів в основному перетворюється в хімічну, причому за інтенсивністю флуоресценції листка можна судити про ефективність фотосинтезу. Чим інтенсивніше флуоресценція, тим нижче ККД використання поглиненої енергії.

Як відомо, світло має водночас хвильові й корпускулярні властивості, тобто поширюється як хвиля та поглинається квантами, або фотонами. Поглинання кванта світла супроводжується переходом у багатший енергією короткоживучий збуджений стан, пов'язаний з переходом електрона на більш віддалену від ядра орбіталь. Електронні орбіталі атомів характеризуються певними енергетичними рівнями, що зростають по мірі видалення від ядра. Ті кванти світла, енергія яких відповідає різниці енергій між двома орбіталями, поглинаються з переходом електрона на більше далеку орбіталь. Тому можуть поглинатися тільки кванти світла із зовсім певною довжиною хвилі.

В органічних молекулах майже всі електрони спарені, тобто перебувають у тому самому енергетичному стані, маючи протилежні спини (основний синглетний енергетичний стан – S_о). Поглинання молекулою хлорофілу кванта червоного світла з енергією 170 кДж/моль призводить до першого синглетного електроно-збудженого стану – S₁ час існування якого приблизно 10^-9 с. Збуджена молекула хлорофілу переходить у стабільний стан шляхом повернення електрона на вихідну орбіталь. Поглинена енергія при цьому може витрачатися різними способами: розсіюванням теплоти; втратою у вигляді випромінювання; збудженням сусідніх молекул пігментів (перенесення енергії до фотохімічних центрів); здійсненням фотохімічної роботи. Можливі також втрата частини енергії у вигляді теплоти й перехід молекули із синглетного в метастабільний триплетний збуджений стан (з оберненням спіна електрона). Триплетний стан триває набагато довше (> 10^-4 с). Із триплетного стану молекула може повернутися в основний за рахунок більш тривалого, ніж флуоресценція, слабкого довгохвильового світіння – фосфоресценції або направивши енергію на фотохімічні реакції.

Поглинання кванта в синьо-фіолетовій області спектра (вміст енергії 300 кДж/моль квантів) приводить до виникнення винятково короткого (< 10^-12) другого збудженого синглетного стану (S₂). За рахунок виділення частини енергії у вигляді теплоти молекула переходить в S₁ і подальші події відповідають збудженню червоним світлом. Тому поглинання світла в синій і червоній областях дає однаковий спектр флуоресценції (червоний), а також рівні кількості фотохімічної роботи, незважаючи на неоднаковий зміст енергії поглинених квантів.

Таким чином, молекула хлорофілу завдяки структурним змінам і фізико-хімічним особливостям здатна виконувати три найважливіші функції: вибірково поглинати енергію світла; трансформувати її в енергію електронного збудження (або запасати її у вигляді енергії електронного збудження); фотохімічно перетворити енергію збудженого стану в хімічну енергію. Для функціонування молекули хлорофілу істотне значення має її просторова організація. Магній-порфиринове кільце молекули являє собою майже плоску пластинку товщиною 0,42 нм і площею 1 нм². Це гідрофільна фотоактивна частина молекули хлорофілу. Довгий (2 нм) аліфатичний залишок фітолу, що утворює кут з порфіриновим кільцем, – її гідрофобний полюс, необхідний для взаємодії молекули хлорофілу з гідрофобними ділянками мембранних білків і ліпідів.

Каротиноїди. Це жиророзчинні пігменти жовтого, яскраво жовтого й червоного кольорів. Вони входять до складу хлоропластів і хромопластів зелених частин рослин (квіток, плодів, коренеплодів). У не зелених листках їхній колір маскується хлорофілом.

Структура й властивості. Каротиноїди є тетратерпеноїдами (8 залишків ізопрену, С₄₀). Каротиноїди можуть бути ациклічними (аліфатичними), моно- і біциклічними. Цикли на кінцях молекул каротиноїдів - похідні іонона. Каротини являють собою вуглеводні з формулою С₄₀Н₅₆. У хлоропластах вищих рослин містяться α- і ß-каротини. ß-каротин має два ß-іононових кільця (подвійний зв'язок між С₅ і С₆). При гідролізі ß-каротину по центральному подвійному зв'язку утворюються дві молекули вітаміну А (ретинолу). α-каротин відрізняється від ß -каротину тим, що в нього одне кільце (ß -іононове, а друге ε-іононове - подвійний зв'язок між С₄ й C₅).

Ксантофіли є кисневмісними похідними каротину. Ксантофіл лютеїн — похідне α-каротину, а зеаксантин – ß-каротину. Вони мають по одній гідроксильній групі в кожному іононовому кільці – С₄₀Н₅₆О₂. Додаткове включення в молекулу зеаксантина двох атомів кисню по подвійних зв'язках С5-С6 (епоксидні групи) призводить до утворення віолаксантина (С₄₀Н₅₆О₄), при включенні епоксидних груп у лютеїн утворюється неоксантин. Синтез каротиноїдів починається з ацетил~SKoА через мевалонову кислоту до лікопіна – ациклічного каротину, що є попередником всіх інших каротиноїдів. Спектри поглинання каротиноїдів характеризується двома смугами у фіолетово-синій і синій частинах спектра від 400 до 500 нм і визначаються системою кон‘югованих зв'язків. При збільшенні числа таких зв'язків максимуми поглинання зміщаються в довгохвильову частину спектра. Подібно хлорофілам, каротиноїди нековалентно пов'язані з білками й липоїдами мембран і тилакоїдів.

Фізіологічна роль каротиноїдів. Каротиноїди є обов'язковими компонентами пігментних систем. Вони виконують роль додаткових пігментів, які передають енергію поглинених квантів хлорофілу а для здійснення фотохімічної роботи. Особливо зростає їхнє значення як світловловлюючих систем у синьо-фіолетовій і синій частинах спектра у затінках, тобто коли переважає розсіяна радіація.

Є докази, що каротиноїди виконують захисну функцію, запобігаючи фотоокисленню хлорофілу.

Висловлюється також припущення про пряму участь каротиноїдів у розщепленні води й кисневому обміні при фотосинтезі.

У верхівках пагонів рослин каротиноїди забезпечують визначення напрямку світла і їхню орієнтацію до світлового потоку за рахунок фототропізму.

Фікобіліни. Характерні пігменти синьо-зелених, червоних та деяких інших водоростей, які вони містять окрім хлорофілів. Цю назву вони одержали завдяки своїй подібності до тваринних пігментів – білірубінів.

За хімічною будовою біліни – тетрапіроли з відкритим ланцюгом, без металу. Як і хлорофіли, фікобіліни - тетрапіроли, але чотири залишки піролу в них створюють незамкнутий витягнутий або згорнутий ланцюг.

Хромофорною групою фікоціанів (С₃₄Н₄₂О₉) є фікоціанобілін, фікоеретринів (С₃₄Н₄₇О₈) – фікоеритробілін. Фікоеритробілін у сполученні з білком називають фікоеритрином. Він добре поглинає кванти зеленої частини спектра. Вони трапляються переважно у червоних водоростей і визначають їхнє забарвлення, мають максимуми поглинання 500-568 нм.

Фікоціаніни характерні для синьо-зелених водоростей і максимуми поглинання дещо в довгохвильову область — від 585 до 630 нм.

До фікобілінів належать також алофікоціаніни – пігменти з максимумами поглинання від 585 до 650 нм, хромофорну групу їх не визначено. Цю назву алофікоціаніни одержали тому, що спочатку їх приймали за одну з форм фікоціаніну.

Алофікоціанін характерний для синьозелених, хоча трапляється також у червоних і криптомонадових водоростей. Фікобіліни концентруються або в стромі, або формують особливі впорядковані ансамблі на поверхні мембран – фікобілісоми. Пігменти даної групи виконують функцію світлозбиральної антени та забезпечують передачу поглинутої ними енергії сонячного світла до хлорофілів а.

Наявність фікобілінів дає змогу водоростям у процесі фотосинтезу використовувати промені, які проникають на певну глибину та займати відповідні екологічні ніші.

Світлова фаза фотосинтезу.

Суть світлової фази фотосинтезу складається в поглинанні променистої енергії і її трансформації в асиміляційну силу (АТФ і НАДФ·Н₂), необхідну для відновлення вуглецю в темнових реакціях. Складність процесів перетворення світлової енергії в хімічну вимагає їх строгої мембранної організації. Світлова фаза фотосинтезу відбувається в гранах хлоропласта.

До складу фотохімічно активних мембран хлоропластів входять п'ять узгоджено функціонуючих багатокомпонентних білкових комплексів: світлозбираючий комплекс, фотосистеми I і II, цитохромний комплекс (цитохроми b₆ і f), що бере участь у транспорті електронів, і АТФ-азний комплекс, що забезпечує синтез АТФ.

Організація й функціонування пігментних систем. Пігменти хлоропластів об'єднані у функціональні комплекси – пігментні системи, у яких реакційний центр – хлорофіл а, що здійснює фотосенсибілізацію, пов'язаний з процесами переносу енергії антеною, що складається зі світлозбираючих пігментів. Сучасна схема фотосинтезу вищих рослин включає дві фотохімічні реакції, здійснювані за участю двох різних фотосистем (ФСІ та ФСІI ).

До складу ФСІ як реакційний центр входить димер хлорофілу а з максимумом поглинання світла 700 нм (Р₇₀₀), а також хлорофіли а 675-695, що грають роль антенного компонента. Первинним акцептором електронів у цій системі є мономерна форма хлорофілу а 695, вторинними акцепторами – залізосірчані білки (-FeS). Комплекс ФСІ під дією світла відновлює залізовмісний білок – фередоксин (Фд) і окислює мідьвмісний білок – пластоціанін (Пц).

ФСІІ включає реакційний центр, що містить хлорофіл а (Р₆₈₀) і антенні пігменти – хлорофіли а 670-683. Первинним акцептором електронів є феофітин (Фф), що передає електрони на пластохінон. До складу ФСІІ входить також білковий комплекс S-системи, що окислює воду, і переносник електронів Z. Цей комплекс функціонує за участю марганцю, хлору й магнію. ФСІІ відновлює пластохінон (PQ) і окислює воду з виділенням О₂ і протонів.

Сполучною ланкою між ФСІІ й ФСІ служать фонд пластохінонів, білковий цитохромний комплекс (b6 і f), і пластоціанін.

У хлоропластах рослин на кожен реакційний центр доводиться приблизно 300 молекул пігментів, які входять до складу антенних або світлозбираючих комплексів. Антенний білковий комплекс ФСІ містить 110 молекул хлорофілів а 680-695 на один Р700, з них 60 молекул – компоненти антенного комплексу, який можна розглядати як світлозбираючий білковий комплекс (ССК) ФСІ. Антенний комплекс ФСІ також містить ß-каротин.

Антенний білковий комплекс ФСІІ містить 40 молекул хлорофілів а з максимумом поглинання 670-683 нм на один Р₆₈₀ і ß-каротин.

Хромопротеїни антенних комплексів не мають фотохімічної активності. Їхня роль складається в поглинанні й передачі енергії квантів на невелику кількість молекул реакційних центрів Р₇₀₀ і Р₆₈₀ кожна з яких пов'язана з ланцюгом транспорту електронів і здійснює фотохімічну реакцію. Організація електронно-транспортних ланцюгів (ЕТЛ) при всіх молекулах хлорофілу нераціональна, тому що навіть на прямому сонячному світлі на молекулу пігменту кванти світла попадають не частіше одного разу за 0,1 с.

Передача енергії у світлозбираючих комплексах і фотосистемах відбувається шляхом індуктивного резонансу. Умовами для резонансного переносу енергії служать зближене розташування й перекриття частот осцилюючих електронних систем у двох взаємодіючих молекул. Причому міграція енергії здійснюється від короткохвильових пігментів до більш довгохвильових. Квант світла мігрує у фотосистемі, поки не потрапить у стокову молекулу (пастку) – пігмент реакційного центра, що є самим довгохвильовим і тому нездатним збуджувати сусідні молекули. Енергія збудженого пігменту реакційного центра витрачається на фотохімічну роботу. Квант світла звичайно передається на стокову молекулу через кілька сотень передач, кожна передача здійснюється за 10-12 с, 100 передач – відповідно за 10^-10 с. Експериментально встановлено, що 90 % енергії збудження хлорофілу а може бути передане на Р700 менш ніж за 10^-9 с.

Нециклічне і циклічне фотосинтетичне фосфоритування.

Фотосинтетичне фосфорилювання, тобто утворення АТФ у хлоропластах у ході реакцій, що активуються світлом, може здійснюватися циклічним і нециклічним шляхами.

Циклічне фотофосфорилювання є більш простим й еволюційно більш древнім. При циклічному фотофосфорилюванні функціонує тільки ФСІ й її єдиним продуктом є АТФ.

Циклічне фотофосфорилювання було відкрито в 1954 р. Арноном, Алленом і Френкелем на ізольованих хлоропластах шпинату.

При поглинанні кванта світла один з електронів пігменту реакційного центра (Р₇₀₀) переходить на більш високий енергетичний рівень. У цьому стані він захоплюється білком, що містить залізо й сірку (Fe-S-центр), а потім передається на залізовмісний білок фередоксин. Подальший шлях електрона – поетапний, його транспорт назад до Р₇₀₀ через ряд проміжних переносників, серед яких є флавопротеїди й цитохроми. Під час транспорту електрона його енергія вивільняється й використовується на приєднання фосфору неорганічного (Ф_н) до АДФ із утворенням АТФ. Кількість молекул АТФ, що утворюються при переносі одного електрона, дотепер не встановлено.

Отже, при циклічному фотофосфорилюванні енергія світла витрачається на перенос електрона на високовідновлене з'єднання, тобто проти градієнта ОВ-потенціалу, а потім електрон «скочується з гірки», утвореної переносниками з рівнем відновленості який знижується, і, збіднений енергією, повертається на ФСІ. Механізми сполучення (АТФ-азний комплекс) забезпечують на цьому відрізку шляху запасання енергії у вигляді АТФ. У найпростіших автотрофів (бактерій) – це єдиний шлях фотофосфорилювання.

У вищих рослин у процесі еволюції з'явився більш складний шлях, що здійснюється при участі двох фотосистем і забезпечує відновлення НАДФ за рахунок фотоокислення води. Причому відновлення НАДФ здійснює ФСІ, а фотоокислення води – ФСІІ. Ці дві системи функціонують одночасно й взаємозалежно. Р. Хіллом і Ф. Бендаллом (1960) розроблена схема послідовності реакцій, що одержала назву схеми нециклічного транспорту електронів, або Z-схеми.

При збудженні Р₇₀₀ в реакційному центрі ФСІ електрон захоплюється мономерною формою хлорофілу а і потім послідовно передається через залізосірчані білки, фередоксин, флавопротеїди на відновлення НАДФ. Р₇₀₀ не одержавши електрона назад, як у випадку циклічного фосфорилювання, набуває позитивний заряд, що компенсується електроном ФСІІ.

У ФСІІ Р₆₈₀ збуджений квантом світла, передає електрон феофітину. Від феофітина електрон, втрачаючи енергію, послідовно передається на пластохінони, залізосірчаний білок, цитохром f, пластоціанін і, нарешті, на Р₇₀₀ ФСІ. Енергія, що вивільняється при транспорті електрона від збудженої ФСІІ на ФСІ, використовується для синтезу АТФ із АДФ і Ф_н, тобто тут має місце фотофосфорилювання.

Р₆₈₀ залишившись без електрона, набуває здатність одержувати електрон від води. Незважаючи на активне дослідження, детально механізм процесу фотоокислення води не встановлений. Показано участь білкового комплексу й переносника електронів Z, для функціонування яких необхідні Mn, Cl і Са.

Таким чином, при нециклічному шляху відбувається лінійний або відкритий, тобто не замкнутий по циклу, транспорт електронів. Донором електронів є вода, кінцевим акцептором – НАДФ. Причому відбувається одночасно двоелектронний транспорт. Передача електронів здійснюється при участі двох фотосистем, тому для переносу кожного електрона витрачаються два кванти світла. На ділянці між ФСІІ і ФСІ транспорт електрона йде по зниженню градієнта окисно-відновного потенціалу з вивільненням енергії й запасанням її в АТФ.

Поряд з нециклічним у мембранах хлоропластів вищих рослин функціонує циклічний транспорт електронів. При цьому фередоксин виконує роль регулятора потоку електронів. При зростанні потреби в АТФ частина електронів від фередоксину через систему цитохромів повертається до Р₇₀₀ з утворенням АТФ. Відновлення НАДФ у цьому випадку не відбувається, і фотоокислення води при участі ФСІІ не потрібно.

Білкові комплекси, що беруть участь у фотохімічних реакціях фотосинтезу, в мембранах хлоропластів розподілені нерівномірно. Найбільші розходження спостерігаються між тими мембранами, які щільно зв’язані одна з одною у гранах, і тими ділянками мембран, які контактують зі стромою, — закруглені ділянки тилакоїдів гран і мембрани тилакоїдів строми. Світлозбираючий комплекс і ФСІІ перебувають в основному в щільнозістикованих мембранах гран. ФСІ зі своїм світлозбираючим комплексом й АТФ-азний комплекс перебувають на незістикованих ділянках мембран. Взаємодія між ними здійснюється за допомогою легкорухомого в ліпідній фазі пластохінона, а також завдяки переміщенню водорозчинного пластоціаніна уздовж внутрішніх поверхонь ламел і водорозчинного фередоксина уздовж зовнішніх поверхонь.

До латеральних переміщень здатні й пігмент-білкові комплекси. Наприклад, відновлення в надлишкових кількостях пластохінона ФСІІ сприяє переміщенню ССК у стромальну область мембрани й зростанню міграції поглиненої енергії світла із ФСІ. Підвищена фотохімічна активність ФСІ підсилює окислювання пластохінона, що приводить до зворотного переміщення ССК. Таким чином, система взаємної регуляції активності ФСІ і ФСІІ включає латеральний транспорт білкових комплексів у мембранах хлоропластів.

Синтез АТФ. Передача електрону по ЕТЛ проходить за градієнтом окис¬но-відновного потенціалу і супроводжується вивільненням енергії, яка використовується для синтеза АТФ. Синтез АТФ відбувається за рахунок електрохімічного градиента протонів, що накопичуються у полості тилакоїду грани.

Існує декілька теорій, що пояснюють механізм фосфорилювання АДФ, поєднаний з транспортом електронів. Найбільшим визнанням користується хеміосмотична теорія англій¬ського біохіміка П. Мітчела (1961). Згідно цієї теорії, пластохінон, приєднав два електрони від П₆₈₀, приєднує ще два протони зі строми хлоропласта і переносить їх крізь мембрану до внутритилакоїдного простору. Протони накопичуються всередині тилакоїда і в результаті відбувається фотоокислення води.

Завдяки нерівномірному розподілу протонів по обидві сторони мембрани утворюється різниця хімічних потенціалів протонів, і виникає електрохімічний мембранний потенціал іонів водню (∆μН⁺). ∆μН⁺ включає дві складові: концен¬траційну (∆рН), що виникає внаслідок нерівномірного розподілу протонів по обидві сторони мембрани, і електричну (∆ψ), що обумовлена виникненням протилежного за¬ряду на поверхні мембран, тобто утворенням мембранного потенціалу. Енергія ∆рН і ∆ψ використовується для зворотного транспор¬ту протонів з внутритилакоїдного простору в строму хлоропласта по особливим каналам. З зворотним транспортом протонів спряжено фосфорилювання АДФ.

Спряження зворотного транспорту протонів і фосфорилювання АДФ забезпечує Н⁺-АТФ-синтетаза, що розташована в тилакоїдних мембранах і складається з двох частин: водорозчинної каталітичної частини (F₁), зверненої до строми хлоропласта, і мем¬бранної частини (F₀), що пронизує подвійний шар ліпідів. Остання являє собою протоний канал, по якому про¬тони можуть повертатись в строму хлоропласта. АДФ і фосфат з‘єднуються з ферментом в його каталітичній частині F₁. Два протона, переміщуються по градієнту електрохімічного потенціалу по протонному каналу (F₀), з‘єднуються з киснем фосфату, утворюючи воду. Втрата кисню активує фосфатну групу, і вона приєднується до АДФ з утворенням АТФ.

Фермент Н⁺-АТФ-синтетаза активна, поки транспортуються протони. Протони пересуваються, якщо їх концентрація у внутритилакоїдному просторі більше. На кожні два електрони, пере-даних по електронтранспортному ланцюгу, всередині тилакоїду накопичується 4Н⁺. При поверненні назад в строму хлоропласта двох протонів синтезується одна молекула АТФ.

Темнова фаза фотосинтезу. С₃-шлях фотосинтезу (Цикл Кальвіна).

Продукти світлової фази фотосинтезу АТФ і НАДФ·Н₂ використовуються в темновій фазі для відновлення СО₂ до рівня вуглеводів. На сьогодні відомі С₃- і С₄-шляхи фіксації СО₂, фотосинтез по типу товстянкових (САМ-метаболізм) і фотодихання.

Шлях відновлення двоокису вуглецю, відкрив американський біохімік М. Кальвін. Цикл Кальвіна відбувається в стромі хлоропласта.

Сумарне рівняння циклу Кальвіна:

3 РуБФ + 3 С0₂ + 6 НАДФ·Н₂ + 9 АТФ →3 РуБФ + ФГА + 3 Н₂0 + НАДФ⁺ + 9 АДФ + 8 Ф_н

Таким чином, на кожні 3 молекули СО₂, що надходять в цикл, утворюється 1 молекула ФГА.

Цикл Кальвіна: 1 – рибулозо-1,5-дифосфат; 2 – фосфогліцеринова кислота; 3 – дифосфогліцеринова кислота; 4 – фосфогліцериновий альдегід; 5 – фосфодіоксиацетон; 6 – фруктозо-1,6-дифосфат; 7 –фруктозо-6-фосфат; 8 – еритрозо-4-фосфат; 9 – седогептулозо-1,7-дифосфат; 10 – седогептулозо-7-фосфат; 11 – ксилулозо-5-фосфат; 12 – рибозо-5-фосфат; 13 – рибулозо-5-фосфат.

Цей цикл поділяють на три етапи: 1) карбоксилювання, 2) відновлення і 3) регенерації.

Перший етап – карбоксилювання рибулозо-бісфосфату і утворення двох молекул фосфогліцеринової кислоти (ФГК). Етап починається з приєднання СО₂ до рибулозо-1,5-бісфосфату (РуБФ), який є первинним акцептором СО₂. Карбоксилювання катализується рибулозобісфосфаткарбоксилазою (РуБФ-карбоксилазою; РУБІСКА). Продуктом реакції є нестійке шістивуглецеве з'єднання 2-карбокси-3-арабінол-1,5-біфосфат, яке швидко розпадається на дві триози – дві молекули 3-фосфогліцеринової кислоти (3-ФГК).

ФГК є первинним продуктом асиміляції вуглецю. Через те що в її молекулі міститься 3 атома вуглецю, цей цикл отримав іншу назву – «С₃-цикл».

Другий етап – відновлення ФГК за допомогою продуктів світлової фази АТФ і НАДФ·Н₂ і утворення двох молекул фосфогліцеринового альдегіду (ФГА). Ця реакція єдина реакція відновлення в усьому циклі.

На цьому етапі для подальших перетворень ФГК використовуються продукти світлової фази – АТФ і НАДФ·Н₂. Спочатку ФГК фосфорилюється при участі АТФ, і утворюється 1,3-діфосфогліцеринова кислота (ДФГК). Реакція каталізується фосфогліцераткіназою.

Утворена кислота відновлюється за рахунок НАДФ·Н₂ і перетворюється на 3-фосфогліцериновий альдегід (ФГА), який частково трансформується за допомогою тріозофосфатізомерази в фосфодіоксиацетон (ФДОА). Процес відновлення ФГК до ФГА каталізується тріозофосфатдегідрогеназою.

Третій етап включає декілька реакцій, в результаті яких утворюється витрачена молекула рибулозо-1,5-бісфосфату. Для цього етапу також потрібна АТФ, що утворилась під час світлової фази фотосинтезу.

В результаті подальших реакцій циклу відбувається регенерація РуБФ. За допомогою альдолази ФДОА з‘єднується з молекулою ФГА, і утворюється молекула фруктозо-1,6-діфосфата (ФДФ).

Фруктозодіфосфат дефосфорилюється і перетворюється на фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф), що супроводжується накопиченням в стромі хлоропласта неорганічного фосфату. Від фруктозо-6-фосфату відщеплюється двовуглецевий фрагмент (—СО—СН₂ОН), який переноситься на третю молекулу ФГА. Реакція відбувається при уча-сті транскетолази. В результаті утворюється пентоза — ксилулозо-5-фосфат, а від Ф-6-Ф залишається 4-вуглецевий цукор – еритрозо-4-фосфат (Е-4-Ф). Еритрозо-4-фосфат з‘єднується з молекулою ФДОА, і утворюється семивуглецевий цукор – седогептулозо-1,7-діфосфат (СДФ). Після відщеплення фосфату седогептулозодифосфат перетворюється в седогептулозофосфат (С-7-Ф). Потім від седогептулозофосфату відщеплюється 2-вуглецевий фрагмент, який переноситься на триозу. Утворюється ще одна молекула ксилулозо-5-фосфат і рибозо-5-фосфат (Р-5-Ф). Обидві молекули ксилулозо-5-фосфат і молекула рибозо-5-фосфат за допомогою рибозофосфатізомерази і рибулозофосфат-3-епімерази перетворюються в три молекули рибулозо-5-фосфат (Ру-5-Ф). Останні фосфорилюються за допомогою АТФ, що утворився на світловій фазі фотосинтезу, і виникають три молекули рибулозо-1,5-бісфосфат (РуБФ). Цю реакцію каталізує фосфорибулокіназа. Таким чином, витрачаються ще три молекули АТФ. Цикл замикається і може розпочатись знову. Рибулозофосфат і ФГА – це кінцеві продукти циклу. Всі інші речовини, що приймають участь, називають проміжними. Оскільки в циклі утворюються пентози, то його ще називають відновлювальним пентозофосфатним циклом (ВПФ-цикл).

Цикл проходить три рази і утворюється 6 молекул ФГА. П’ять з шести молекул тріозофосфату утворюють 3 молекули РуБФ, а шоста молекула ФГА є продуктом асиміляції СО₂. Вона може перетворитись в хлоропласті в первинний крохмаль або знову включитись в цикл, або, вийти в цитозоль, бути використаною для утворення сахарози. Із шостої молекули, що залишилася невикористаною 3-ФГА при повторенні циклу під дією альдолази синтезується фруктозо-1,6-діфосфат, з якого можуть утворитися глюкоза, сахароза або крохмаль. Таким чином, для синтезу однієї молекули глюкози (С₆) повинно відбутися шість обертів циклу. У кожному оберті циклу використовуються три молекули АТФ (дві для активування двох молекул ФГК й одна при регенерації акцептора СО₂ 1,5-РДФ) і дві молекули НАДФ·Н₂для відновлення ФГК до ФГА. Тому для синтезу однієї молекули глюкози в циклі Кальвіна необхідно 12 НАДФ·Н₂ й 18 АТФ. Такий енергетичний внесок світлової фази в темнову фіксацію СО₂

Швидкість С₃-циклу залежить не тільки від кількості АТФ та НАДФ·Н₂, що утворились на світловій фазі, але й від їхнього співвідношення. Тільки співвідношення 3 АТФ до 2 НАДФ⁺ забезпечує активне відновлення С0₂ і запасання енергії. Якщо ступінь спряження роботи електрон-транспортного ланцюга фотосинтезу з фотофосфорилюванням незначна, то інтенсивність фотосинтезу знижується через зменшення кількості рибулозо-1,5-бісфосфату, тому що зменшується фосфорилювання рибулозо-5-фосфата і можливість відновлення ФГК до ФГА. В результаті одночасно зі зниженням інтенсивності фотосинтезу серед асимілятів клітини збільшується доля невуглецевих з‘єднань (органічних кислот). Це характерно, для рослин, що вирощуються при низькому освітленні.

С₄-шлях фотосинтезу (цикл Хетча-Слека).

Шлях засвоєння СО₂, встановлений М. Кальвіним, є основним. Але існує велика група рослин, що включає більше 500 видів вкритонасіннєвих, у яких первинними продуктами фіксації СО₂ і відновлення є чотирьохвуглецеві сполуки. Їх називають C₄-рослинами. Основи для біохімічного дослідження фотосинтезу в C₄-рослин були закладені в роботах Л.А. Незговорової (1956-1957 рр.), Ю.С. Карпілова та І.А. Тарчевского (1960-1963 рр.), а також австралійських вчених Хетча й Слека. В 1966 р. Хетч і Слек запропонували закінчену схему циклу темнових реакцій у C₄-рослин, що одержала назву циклу Хетча-Слека.

До C₄-рослин належить низка культурних рослин переважно тропічного й субтропічного походження – кукурудза, просо, сорго, цукрова тростина і багато злісних бур'янів – свинорій, просо куряче, просо велике, гумай (сорго алепське), щириця тощо. Як правило, це високопродуктивні рослини, що стійко здійснюють фотосинтез при значних підвищеннях температури й у посушливих умовах.

Для листів C₄-рослин характерно анатомічна будова кранц-типу (від німец. Kranz – вінок, корона), тобто наявність яскраво відмінних одна від одної фотосинтезуючих клітин двох типів, які розташовуються концентричними колами: радіально розташовані навколо провідних пучків клітини обкладки й основний мезофіл.

Клітини обкладки провідного пучка містять великі, позбавлені гран (агранальні) хлоропласти. У клітинах мезофілу знаходяться більш дрібні гранальні хлоропласти. Ці два типи клітин фізіологічно не рівноцінні й спеціалізуються на виконанні різних ланок фотосинтезу. C₄-цикл можна розділити на дві стадії: карбоксилювання, що відбувається в клітинах мезофілу, та декарбоксилювання і синтез вуглеводів, що відбуваються у клітинах обкладки провідних пучків. Загальним для всіх C₄-рослин є те, що карбоксилюванню піддається фосфоенолпіровиноградна кислота (ФЕП) при участі ФЕП-карбоксилази і утворюється щавлевооцетова кислота (ЩОК), що відновлюється до яблучної кислоти або амінуєтся з утворенням аспарагінової кислоти.

СО₂, що надходить в рослини в лист крізь продихи, потрапляє в цитоплазму клітин мезофілу, де при участі ФЕП-карбоксилази вступає в реакцію с ФЕП, утворюючи щавлевооцетову кислоту (оксалоацетат). Потім вже в хлоропластах оксалоацетат відновлюється до яблучної кислоти (малату) за рахунок НАДФ·Н₂, що утворюється в ході світлової фази фотосинтезу.

Потім малат переноситься в хлоропласти клітин обкладки судинного пучка, де він піддається окисному декарбосилюванню, продуктом якого є піровиноградна кислота (ПВК). Остання знов дифундує в мезофіл, де при участі АТФ, що утворюється в світловій фазі, відбувається регенерація ФЕП, після чого цикл карбоксилювання повторюється за участю нової молекули СО₂. СО₂ і НАДФ·Н₂, що утворюються в результаті окисного декарбоксилювання малату, поступають в цикл Кальвіна, що призводить до утворення ФГК та інших продуктів, властивих С₃-рослинам. Тому, саме клітини обкладки виконують роль основної асимілюючої тканини, що постачає цукри в провідну систему. Клітини мезофілу виконують допоміжну функцію – підкачку СО₂ для циклу Кальвіна. Таким чином, С₄-шлях забезпечує більш повне засвоєння СО₂, що особливо важливо для тропічних рослин, де основним лімітуючим фактором фотосинтезу є концентрація СО₂. Ефективність засвоєння СО₂ С₄-рослинами збільшується також за рахунок подачі НАДФ·Н₂ в хлоропласти клітин обкладки.

Для С₄-цикла характерні наступні особливості: 1) з оксалоацетату – первинного продукту – утворюються малат або аспартат; 2) цикл ділять на два етапи: перший – карбоксилювання ФЕП в клітинах мезофілу, другий – декарбоксилювання малату або аспартату в клітинах обкладки; 3) цикл розділений в просторі: починається і закінчується в основних клітинах мезофілу, а декарбоксилювання відбувається в клітинах обкладки.

С₃- і С₄-цикли діють сумісно. Таке функціонування двох циклів отримало назву кооперативного фотосинтезу. Основна функція С₄-циклу – концентрування СО₂ для С₃-циклу. С₄-цикл є своєрідним насосом (вуглекисневою помпою) для Сз-циклу, за допомогою якого С0₂ атмосфери переноситься в С_з-цикл.

Якщо С₃-цикл є у всіх рослин, то С₄-цикл до цього часу виявлений у однодольних та дводольних наземних рослин 16 родин. Рослини, у яких С0₂ відновлюється в результаті функціонування С₃- и С₄-циклів, були названі С₄-рослинами, а рослини, у яких функціонує тільки С_з-цикл, – С₃-рослинами. С₄-рослини – це переважно тропічні і субтропічні рослини, вони є високоврожайні.

У С₄-рослин більш активними є ФЕП-карбоксилаза, малатдегідрогеназа і аспартатамінотрансфераза, а у С₃-рослин – РуБФ-карбоксилаза. ФЕП-карбоксилаза може фіксувати двоокис вуглецю при набагато нижчих її концентраціях, ніж РуБФ-карбоксилаза. Завдяки функціонуванню вуглекисневої помпи (С₄-циклу) концентрація С0₂ в клітинах обкладки, де проходить С_з-цикл, в декілька раз більше, ніж в навколишньому середовищі. В умовах підвищених температур, в яких ростуть С₄-рослини розчинність С0₂ значно знижена. В листках С₄-рослин карбокилювання відбувається двічі. Для відновлення ФГК в С₃-циклі необхідно АТФ і НАДФ·Н₂. Агранальні хлоропласти клітин обкладки містять лише фотосистему I, тому в них можливе тільки циклічне фотофосфорилювання. Тому, в цих клітинах НАДФ не відновлюється. У С₄-рослин в хлоропластах клітин обкладки фотосистема I активніша, ніж у С₃-рослин, тому у них є циклічний транспорт електронів і пов‘язане з ним фосфорилювання АДФ проходять швидше. Граналь¬ні хлоропласти основних клітин мезофілу містять обидві фотосистеми, тому в них відбувається циклічне і нециклічне фотофосфорилювання з утворенням АТФ і НАДФ·Н₂. Коли малат з мезофільних клітин поступає в клітини обкладки і там декарбоксилюється, одночасно відновлюється НАДФ, який необхідний для відновлення ФГК.

Таким чином, С₄-цикл постачає в С₃-цикл водень для відновлення двоокису вуглецю. Для нормального проходження темнової фази фотосинтезу необхідна жорстка координація швидкостей С₃- і С₄-циклів і швидкий відтік асимілятів з фотосинтезуючих клітин.

Еволюційно С₃-цикл виник раніше, ніж С₄-цикл. У деревних, більш старої життєвої форми С₄-цикл не виявлений.

Метаболізм органічних кислот по типу товстянкових (САМ-метаболізм).

Цей тип фотосинтезу вперше був виявлений М.Д. Хетчем у рослин з родини товстянкових (Crassulaceae), тому він отримав назву кислотного метаболізму товстянкових, або англійською Crassulacean acid metabolism (САМ-фотосинтез), а рослини, які його мають – рослини САМ-типу, або САМ-рослини.

Рослини, що відносяться до цього типу ростуть в сухих місцях, тому продихи у них відкриті вночі і зачинені вдень для зменшення транспірації. В даний час цей тип фотосинтезу виявлений у предста-вників 25 родин. Поглинання двоокису вуглецю в темноті було виявлено Н.Т. Соссюром (Швейцарія) ще в 1804 р. СО₂, який поглинається, як і у С₄-рослин, використовується для карбоксилювання ФЕП. ФЕП утворюється вночі з крохмалю в результаті його гідролізу і включення глюкозо-6-фосфату, що утворюється, в гліколізі. Каталізує реакцію карбоксилювання ФЕП-карбоксилаза. В резуль¬таті утворюється оксалоацетат і ортофосфат :

ФЕП + С0₂ + Н₂0 → оксалоацетат + ортофосфат

Оксалоацетат відновлюється до малату за участі малатдегідрогенази:

оксалоацетат + НАДН + Н⁺ → малат + НАД⁺

Донором водню є НАДН. Малат накопичується у вакуолі, тому протягом ночі клітинний сік стає більш кислим. На наступний ранок малат виходить з вакуолі в цитозоль. Тут відбувається його окисне декарбоксилювання при участі НАДФ-малатдегідрогенази (декарбоксилюючої), утворюється піруват, С02, і відновлюється НАДФ⁺:

малат + НАДФ⁺ → ПВК + С0₂ + НАДФН + Н⁺

Піруват фосфорилюється завдяки АТФ при участі піруватфосфатдікінази, і утворюється ФЕП. С0₂ і НАДФН, які використовуються в С₃-циклі.

Крім того, на світлі малат може знову при участі малатдегідрогенази перетворитись в оксалоацетат, який декарбоксилюється під дією ФЕП-карбоксикінази:

малат + НАД⁺ →оксалоацетат + НАДН + Н+ оксалоацетат + АТФ → ФЕП + АДФ + С0₂

ФЕП-карбоксилаза, НАДФ-малатдегідрогеназа і ФЕП-карбоксикіназа знаходяться в цитозолі, тому реакції, які вони каталізують відбуваються поза хлоропласту. По мірі використання кислот, що накопичені вночі в вакуолі, величина рН клітинного соку знову збільшується.

ФЕП, який утворився після декарбоксилювання (на світлі) малату або оксалоацетату, в результаті реакцій перетворюється в ФГК або в глюкозо-6-фосфат. Вдень малат інгібує ФЕП-карбоксилазу. ФГК може включитись в цикл Кальвіна в хлоропласті, а глюкозо-6-фосфат – в первинний крохмаль й в такому вигляді накопичуватись, до ночі. Вдень в хлоропластах САМ-рослин відбувається звичайний С₃-цикл.

Для цього типу фотосинтезу характерні наступні особливості:

— темнова фаза фотосинтезу розділена у часі: С0₂ поглинається вночі, а відновлюється вдень. Для сукулентів це дозволяє вдень закривати продихи для зменшення транспірації;

— з оксалоацетату – первинного продукту, як і у С4-рослин, утворюється малат;

— карбоксилювання в тканинах відбувається двічі: вночі карбоксилюється ФЕП, а вдень – РуБФ.

Як і С₄-цикл, САМ-тип фотосинтезу є додатковим, він постачає С0₂ в С₃-цикл у рослин, що ростуть в умовах високих температур або нестачі вологи. Вдень (в жару) САМ-рослини запасають СО₂, який утворився в результаті дихання, а вночі, коли продихи відкриті, вони поглинають СО₂ з повітря. Вночі СО₂ дихання зв‘язується ФЕП-карбоксилазою. САМ-фотосинтез допомагає зменшити. транспірацію і зберегти воду, але продуктивність цих рослин набагато нижче, ніж С₃-рослин. Співвідношення транспірації до фотосинтезу для САМ-рослин складає 50-100, для С₄-рослин — 250-300 і для С₃-рослин — 400-500 г транспіруємої води/г поглиненого С0₂.

У більшості САМ-рослин клітини мезофілу в декілька раз крупніші ніж у С₃- й С₄-рослин, тому що вони мають дуже великі вакуолі. Кількість продихів у САМ-рослин набагато менша, ніж у С₃- й С₄-рослин.

У деяких рослин цей цикл функціонує завжди, а у інших — тільки в несприятливих умовах. Перехід к САМ-фотосинтезу відбувається при водному дефіциті і високій температурі вдень та низькій вночі. Перехід до САМ-фотосинтезу може викликати короткий день (деякі види коланхоє) або довгий (деякі види очитка). Деякі САМ-рослини при достатньому зволоженні можуть фотосинтезувати як С₃-рослини. Тоді в них продихи відкриваються вдень и закриваються вночі. Іноді у САМ-рослин С0₂ поглинається і вдень, і вночі.

Фотодихання.

В процесі фотодихання, значну роль відіграє РуБФ-карбоксилаза. При нестачі двоокису вуглецю і великої кількості кисню, цей фермент каталізує приєднання до рибулозо-1,5-бісфосфату не вуглекислого газу, а кисню. Таким чином фермент виконує не тільки карбоксилюючу, але й оксигенеруючу функцію.

Кисень и СО₂ є субстратами, що конкурують один з одним за взаємодію з РуБФ-карбоксилазою/оксигеназою (РуБФК/О), таким чином кисень інгібує карбоксилазну, а СО2 - оксигеназну функцію цього ферменту.

Приєднання кисню до молекули РуБФ призводить до того, що замість двох молекул ФГК утворюється одна молекула ФГК і одна молекула фосфогліколата. Фосфогліколат виходить з хлоропласту і при участі фосфогліколатфосфатази дефосфорилюється та перетворюється на гліколат, який поступає в пероксисому. В пероксисомі гліколат реагує з поглиненим киснем; в результаті утворюється гліоксилат і перекис водню. Реакцію каталізує гліколатоксидаза. Перекис розкладається каталазою на воду и кисень, який вивільняється в атмосферу, а гліоксилат в результаті реакції трансамінування при участі гліоксилатгліцинамінотрансферази, перетворюється в гліцин, який транспортується в мітохондрію. В цій органелі з двох молекул гліцину при участі серінгліоксилатамінотрансферази синтезується одна молекула серіну, утворюється СО₂, аміак і відновлюється НАД. СО₂ вивільняється в атмосферу, тобто втрачається для рослин, або використовується в С₃-циклі.

Серин транспортується з мітохондрії в пероксисому, де після дезамінування перетворюється в оксипіруват, який потім відновлюється при участі гліоксилатредуктази в гліцерат за рахунок НАДН. Гліцерат транспортується в хлоропласт, де фосфорилюється за рахунок АТФ в присутності гліцераткінази і утворюється ФГК. ФГК є кінцевим продуктом цього циклу. Вона може включитись в С₃-цикл для регенерації РуБФ або використовуватись для синтезу сахарози або крохмалю.

Гліколат є первинним продуктом цього циклу, тому цикл його перетворення в тріозофосфат (ФГК) назвали гліколатним.

Особливості процесу фотодихання:

- С0₂ утворюється під час перетворення двох молекул гліцина в серін;

- кисень витрачається для синтезу гліколату і гліоксилату. Крім того, якщо НАДН, що утворюється при декарбоксилюванні гліцину в мітохондріях окислюється, то споживання кисню збільшується;

- під час циклу поглинається ки¬сень і вивільняється вуглекислий газ;

- протягом циклу утворюється вільний аміак, який не вивільняється в навколишнє середовище, а використовується для амінування оксиглутарату, в результаті утворюється глутамат;

- ФГК може використовуватись для синтезу сахарози або крохмалю.

Реакції цього циклу відбуваються в хлоропластах, пероксисомах і мітохондріях. В клітині ці органели примикають одна до одної, що підкреслює їхню функціональну залежність.

Протягом гліколатного циклу відбувається втрата СО₂, який поглинений в С_з-циклі. Якщо цикл відбувається 10 разів, то з кожних 10 моле¬кул РуБФ, що утворились в Сз-циклі, одна молекула руйнується.

10 РуБФ + 10 О₂ → 10 фосфогліколат + 10 ФГК

10 ФГК→ 5ФГК + 5 СО₂

10 ФГК + 5 ФГК → 15 ФГК → 9 РуБФ

Вплив зовнішніх факторів на фотосинтез. Показники фотосинтезу.

Фотосинтез характеризується швидкістю або інтенсивністю. Інтенсивність фотосинтезу вимірюється кількістю міліграмів С0₂, який поглинений одним квадратним дециметром листової поверхні за 1 годину. Для її вимірювання визначають зменшення кількості вуглекислого газу в замкнутій камері, в якій розміщено листок. Одночасно разом з визначенням інтенсивності фотосинтезу визначають в темноті інтенсивність дихання цих клітин. Кількість С0₂, що вивільняється при диханні, додають до його кількості, що поглинена при освітленні. При цьому вважають, що інтенсивність дихання клітин на світлі і в темноті однакова. Однак, ці по¬правки не можуть точно оцінити дійсний фотосинтез, тому що при затінені листка виключається не тільки фотосин¬тез, але й гліколатний цикл, а також тому, що дихання в дійсності трохи залежить від світла.

Інтенсивність фотосинтезу можна виміряти і по кількості кисню, що виділяється с квадратного дециметра листової поверх¬ні за 1 годину. Величини інтенсивності фотосинтезу, що розраховані по кількості поглиненого вуглекислого газу і по кількості виділеного кисню, можуть не співпадати, тому що С0₂ приймає участь в темновій, а кисень утворюється в світловій фазі фотосинтезу. Співвідношення об’єму виділеного кисню до об’єму поглиненого вуглекислого газу називається фотосинтетичним коефіцієнтом. При утворенні вуглеводів, фотосинтетичний коефіцієнт дорівнює одиниці (60₂ : 6С0₂ = 1). При утворенні білків він дорівнює 1,25, а при утворенні ліпідів – 1,44. Середня величина фотосинтетичного коефіцієнта у різних рослин дорівнює 1,04.

Величина фотосинтетичного коефіцієнта залежить від умов освітлення і мінерального живлення. Освітлення рослин си¬нім світлом і гарне постачання азоту збільшує синтез білків, таким чином фотосинтетичний коефіцієнт збільшується.

Для характеристики фотосинтезу використовують такі показники: квантова витрата, квантовий вихід і асиміляційне число. Квантова витрата фотосинтезу – це співвідношення числа по-глинених квантів світла до числа асимільованих молекул дво¬окису вуглецю. Обернена величина отримала назву квантового виходу. Асиміляційне число – це співвідношення кількості поглиненого вуглекислого газу до кількості хлорофілу, який міститься в листку.

Кількість грамів сухої речовини, яка накопичена в рослині за добу в перерахунку на 1 м² листової поверхні, характеризує чисту продуктивність фотосинтезу (ЧПФ).

Вплив світла. Прямий вплив світла на фотосинтез, його субстратна роль обумовлена тим, що воно є джерелом енергії. Опосередковано світло впливає завдяки регуляції ширини продихових щілин, регулюючи дифузію СО₂ в лист. Таким чином регулює як темнову так і світлову фази.

Залежність інтенсивності фотосинтезу від освітленості виражається логарифмічною кривою – світловою кривою фотосинтезу. По осі абсцис відкладають освітленість, а по оси ординат – інтенсивність фотосинтезу, яку вимірюють по мірі збільшення інтенсивності світла на одну і ту ж величину.

При збільшенні інтенсивності світла від повної темноти до 0,2-0,3 повного сонячного освітлення швидкість фотосинтезу зростає прямолінійно, потім уповільнюється і, при підвищенні освітленості більше 0,5-0,6 від повного сонячного освітлення - не викликає змін інтенсивності фотосинтезу. Такий стан називають станом світлового насичення. У рослин помірної зони світлове насичення наступає при освітленості 20-40 тис. лк.

При слабкій освітленості дихання відбувається швидше за фотосинтез, прилади реєструють виділення СО₂, тому початок світлової кривої розташований нижче осі абсцис. Згодом швидкість фотосинтезу стає рівною швидкості дихання. При цьому вуглекислий газ ні виділяється, ні поглинається. Освітленість, при якій інтенсивність фотосинтезу дорівнює інтенсивності дихання, називають світловою компенсаційною точкою (світлова крива перетинає вісь абсцис).

При прямій пропорційності між інтенсивністю фотосинтезу і збільшенням інтенсивності світла, швидкість фотосинтезу визначається швидкістю світлової фази. В стані світлового насичення швидкість фотосинтезу лімітують темнові процеси і надходження СО₂.

Подальше збільшення освітленості може призвести до зниження інтенсивності фотосинтезу, а в умовах надлишку освітлення порушується синтез пігментів, що інігібують хімічні реакції. В природних умовах недостатня освітленість листків часто обмежує фотосинтез.

Залежність інтенсивності від освітленості: 1-швидкість виділення СО₂ в темноті (швидкість дихання); 2-комненсаційна точка фотосинтезу; 3-стан світлового насичення.

Вплив вуглекислого газу. Вуглекислий газ є джерелом вуглецю для синтезу органічних речовин (субстратна роль) та регулює ширину продихових щілин.

В лабораторних умовах залежність інтенсивності фотосинтезу від концентрації С0₂ виражається логарифмічною кривою, подібною до світлової кривої фотосинтезу і називається вуглекислотною кривою фотосинтезу. При підвищенні концентрації С0₂ інтенсивність фотосинтезу спочатку зростає швидко, а потім повільніше і, згодом, збільшення кількості вуглекислого газу не викликає посилення фотосинтезу. Такий стан рослин називають вуглекислотним насиченням. Він наступає при концентраціях С02 в повітрі 0,1-0,3 %. При концентрації С0₂ 0,005 % у С₃-рослин і 0,0005 % у С₄-рослин, швидкість фотосинтезу дорівнює швидкості дихання. Концентрацію С0₂, при якій наступає рівняння цих процесів, називають вуглекислотною компенсаційною точкою.

Швидкість асиміляції С0₂ в процесі фотосинтезу залежить від швидкості його надходження в хлоропласти з атмосфери, що визначається швидкістю дифузії крізь продихи в клітини.

Двоокис вуглецю поглинається з ґрунтового повітря коренями (темнова фіксація С0₂). Тут відбувається карбоксилювання органічних кислот (ФЕП). Такі кислоти транспортуються в листки, там декарбоксилюються, С0₂ використовується для фотосинтезу.

Надходження в рослини вуглекислого газу постійно лімітує фотосинтез. При вирощуванні С₃-рослин в теплицях в атмосфері, збагаченій вуглекислим газом, врожай збільшується в 2-5 раз, тому що великі концентрації С0₂ пригнічують гліколатний цикл фотосинтезу.

Однак, вирощувати рослини в атмосфері, збагаченій С0₂, можна тільки на сильно освітлених місцях.

Вплив кисню. У більшості рослин зниження концентрації кисню с 21 % (звичайна в атмосферному повітрі) до 1-3 % активує фотосинтез. Це пояснюється тим, що фотосинтез виник в умовах низького вмісту кисню в атмосфері. 90-95 % кисню атмосфери Землі фо-тосинтетичного походження.

Пригнічення фотосинтезу киснем називають ефектом Варбурга. Ефект Варбурга виявлений у всіх С₃-рослин; у С₄-рослин при звичайній концентрації кисню відсутній. Цей ефект пояснюється: по-перше, при великій концентрації кисню починає проходити гліколатний цикл. При знижені концентрації кисню до 2-3 % гліколат не утворюється, і ефект Варбурга зникає; по-друге, при великій концентрації кисню може відбуватись псевдоциклічне фотофосфорилювання: електрони в світловій фазі транспортуються не до НАДФ⁺, а до кисню повітря. В результаті кисень відновлюється, утворюється перекис водню, який розкладається на воду і атомарний кисень. Кількість відновленого кисню дорівнює його кількості, що утворюється при фотолізі води. В атмосферу він не вивільняється. Зменшення кількості НАДФ·Н₂ пригнічує темнову фазу фотосинтезу. В цьому процесі приймають участь обидві фотосистеми. Низький вміст або відсутність кисню або збільшення його концентрації до 25-30 % пригнічують фотосинтез.

Температура впливає в основному на темнову фазу фотосинтезу, регулюючи активність ферментів і швидкість дифузії вуглекислого газу. При підвищенні температури вище оптимального значення порушується фотосинтетичне фосфорилювання. Температура впливає на швидкість фотосинтезу і опосередковано, змінюючи швидкість відтоку асимілятів з листової пла¬стинки в інші органи, а накопичення асимілятів в листовій пластинці уповільнює фотосинтез.

Залежність інтенсивності фотосинтезу від температури зображують у вигляді одновершинної температурної кривої, на якій виділяються три кардинальні точки: мінімальна, оптимальна і максимальна температури.

У тропічних і субтропічних рослин фотосинтез починається при температурі +5...+7 °С, а у більшості рослин помірної зони — біля 0°С і тільки у деяких хвойних (сосна, ялина) — при від‘ємних температурах: -2...-3°С і навіть -15°С.

Поглинання і відновлення двоокису вуглецю у всіх рослин з підвищенням температури спочатку збільшується. У більшості рослин помірної зони найбільша інтенсивність фотосинтезу спостерігається при температурі 20-28°С, а у С₄-рослин – при 35-45 і навіть при 50°С. При подальшому підвищенні температури швидкість фотосинтезу зменшується, але зростає інтенсивність дихання. Температуру, при якій інтенсивність фотосинтезу дорівнює інтенсивності дихання, називають температурною компенсаційною точкою. При такій температурі в рослині не відбувається накопичення сухої речовини. На температурну компенсаційну точку впливають освітленість і вміст вуглекислого газу в атмосфері. Для С₃-рослин помірної зони максимальними є температури 40-50°С, а для тропічних видів 50-60°С. Під дією високих температур порушується структура хлоропластів. При мінімальних температурах повільно проходить темнова фаза фотосинтезу, при максимальних – інактивуються ферменти.

Положення кардинальних точок на температурній кривій залежить від тривалості дії даної температури.

При підвищенні температури на 10°С в межах від 0 до 25-35°С в залежності від виду рослини інтенсивність фотосинтезу збільшується в 2-3 рази (правило Вант-Гоффа). При подальшому підвищенні температури вона знижується.

Вплив оводненості тканин. Вода приймає участь в обох фазах фотосинтезу, виконуючи субстратну і регуляторну роль. Субстратна роль води полягає в тому, що під час светлової фази вона є донором водню для відновлення НАДФ. Для цього використовується приблизно 1 % поглиненої води.

Вода є джерелом водню для відновлення двоокису вуглецю, середовищем для всіх хімічних реакцій, активує ферменти. Завдяки випаровуванню відбувається регуляція температури тканин, від якої залежить швидкість темнової фази фотосинтезу. В умовах оптимальної кількості води синтез речовин відбувається швидше, ніж розпад. Кількість води впливає на швидкість відкладання первинного крохмалю і навіть на структуру і розташування тилакоїдів в стромі хлоропласта. Від кількості води в замикаючих клітинах залежить ступінь відкритості продихів, а від тургорного стану листків – їхнього розташування по відношенню до сонячних променів.

Залежність інтенсивності фотосинтезу від кількості води в тканинах виражається на графіку одновершинною кривою, яка має три кардинальні точки – мінімуму, оптимуму і максимуму. 85-87% води в клітинах вважається оптимальною величиною для фотосинтезу. Тому, максимальний фотосинтез у більшості наземних рослин відбувається при невеликому водному дефіциті. При втраті 50% води фотосинтез повністю зупиняється внаслідок закривання продихів. Одночасно при сильній дегідратації клітин порушується структура хлоропластів. Причинами зниження інтенсивності фотосинтезу також є зміни активності ферментів, дегідратація кутикули, стінок епідерми і мембран, в результаті зменшується проникність клітин для вуглеки¬слого газу. При нестачі води погано відбувається циклічне і нециклічне фосфорилювання.

При високій оводненості клітин (більше 87%), при відкритих продихах, інтенсивність фотосинтезу також знижується, завдяки порушенню дифузії С0₂, водою яка знаходиться в міжклітинниках і в вільному просторі клітин.

Через зневоднення змінюється не тільки інтенсивність фотосинтезу, але і якісний склад його продуктів: менше синтезується сахарози, малату і інших органічних кислот, більше – глюкози, фруктози, аланіну та інших амінокислот.

Зниження оводненості тканин впливає на інтенсивність фотосинтезу опосередковано. По-перше, в умовах водного дефіциту зменшується фотосинтезуюча поверхня: листки повільніше ростуть, нижні листки відмирають, а у деяких рослин згортаються в трубку для зменшення транспірації. По-друге, збільшення в’язкості цитоплазми впливає на швидкість внутрішньоклітинного транспорту речовин і швидкість хімічних реакцій.

Вплив мінерального живлення. Азот і магній входять до складу пігментів; фосфор – до складу АТФ; азот, фосфор, кальцій, магній – в мембрани хлоропластів. Азот, калій, залізо, кобальт, мідь, марганець, хлор, кальцій регулюють активність ферментів; магній, азот, сірка – структуру хлоропластів.

Металопротеїди є переносниками електронів, що містять залізо (цитохроми, фередоксин), мідь (пластоціанін), марганець (комплекс, розкладаючий воду). Дефіцит цих елементів викликає різкі зміни в швидкості транспорту електронів, відновлення НАДФ.

Залізо необхідно для синтезу хлорофілу. Його дефіцит порушує синтез і функціонування пігментних систем, транспорт електронів.

Азот. Його дефіцит призводить до зменшення розмірів хлоропластів в 1,5-2 рази, листки стають дрібніше, продихи менш рухомі.

Магній. При його нестачі руйнуються тилакоїди строми і гран, мало утворюється хлорофілу. В результаті рослини не можуть поглинати сильне світло. Одночасно не¬стача азоту і заліза призводить до хлорозу — молоді листки стають блідо-жовті, поглинання вуглекислого газу знижується в 3 рази.

Сірка. Дефіцит порушує утворення тилакоїдів строми.

Фосфор необхідний для процесів фотофосфорилювання. В умовах тривалого фосфорного дефіциту знижується синтез крохмалю і збільшується синтез органічних кислот і амінокислот, зменшується активність РуБФК/О і збільшується активність ФЕП-карбоксилази.

Калій. При дефіциті порушуються грани хлоропластів, продихи погано відкриваються і закриваються, порушується водний режим.

Взаємодія факторів при фотосинтезі. Швидкість темнової фази фотосинтезу (С3-цикл) визначається активністю двох ключових реакцій циклу: реакцією карбоксилювання, швидкість якої регулюється концентрацією С0₂, і реакцією відновлення ФГК в ФГА, швидкість якої залежить від вмісту АТФ і НАДФ·Н₂. Концентрація С0₂ в хлоропласті залежить від його концентрації в атмосфері та від опору його дифузії, а кількість АТФ і НАДФ·Н₂ – від транспорту електронів, що обумовлений світлом. Крім того, активність всіх ферментативних реакцій залежить від температури.

Інтенсивність світла і концентрація СО₂. При низькій концентрації вуглекислого газу інтенсивність фотосинтезу не залежить від освітленості, світлове насичення в таких умовах настає раніше. При низькій інтенсив¬ності світла фотосинтез не залежить від концентрації СО₂. Чим менша освітленість, тим швидше настає вуглекислотне насичення. Світлова компенсаційна точка настає раніше при більш високій концентрації СО₂, тому що в цих умовах збільшується швидкість фотосинтезу. Освітленість або концентрація СО₂ можуть обмежувати фотосинтез.

Температура. При низьких інтенсивностях світла температура не впливає на інтенсивність фотосинтезу. При великій інтенсивності світла більш високі температури збільшують інтенсивність фотосинтезу, якщо достатньо СО₂. Якщо СО₂ мало, то збільшення температури не впливає на інтенсивність фотосинтезу при збільшенні освітленості.

При підвищенні температури компенсаційна точка наступа¬є при більшій освітленості, тому, що в цих умовах дихання активується сильніше, ніж фотосинтез. Зниження температури призводить до більш раннього досягнення як світлового, так і вуглекислотного компенсаційних пунктів.

Зазвичай один з факторів, який знаходиться в мінімумі, обмежує вплив інших факторів. Ця залежність отримала назву закону обмежуючих факторів. В 1905 р. Ф. Блекман (Англія) на основі цього зробив висновок, що фотосинтез складається з двох фаз: залежної від світла (світлової фази) і залежної від концентрації вуглекислого газу і температури (темнової фази). При незначній освітленості фо-тосинтез зростає пропорційно інтенсивності світла і майже не залежить від факторів, що впливають на темнові реакції фотосинтезу. При невеликій освітленості темнова фаза проходить повільно.

Денний хід фотосинтезу – зміни його інтенсивності протягом дня, обумовлені впливом різних зовнішніх факторів і їх взаємодії.

В помірному кліматі при достатньому забезпеченні водою хід фотосинтезу загалом відповідає зміні освітленості. Починаючи з сходом сонця, фотосинтез досягає максимуму в денні години, а потім поступово знижується до вечора, припиняючись з заходом сонця. В жаркому кліматі в денні години, коли через високу температуру рослина втрачає багато води, інтенсивність фотосинтезу знижується. Вона знижується тим сильніше, чим вище температура, і іноді опиняється нижче компенсаційної точки. До вечора при зниженні температури і деякому підвищенні оводненості тканин інтенсивність фотосинтезу зростає. В цих умовах крива денного ходу фотосинтезу двовершинна, та має два максимуми: більш високий вранці і менш високий ближче до вечора. Такі двовершинні криві характерні і для денного ходу фотосинтезу рослин помірної зони в найбільш жаркі дні.

В жаркі дні перегрів листка сонячними променями, знижує фотосинтез і одночасно підвищує інтенсивність дихання, при цьому листки виділяють СО₂. В тропічних країнах у деяких культур (кофе, цукрова тростина) продуктивність фотосинтезу більша в похмурі дні.

На денний хід фотосинтезу впливають умови попередніх днів. Протягом декількох діб може зберігатись попередня ритмічність фотосинтезу.

В усіх кліматичних зонах є види з високою і низкою інтенсивністю фотосинтезу. В залежності від виду ця величина може змінюватись в 20-25 рази. Чим гірші умови існування, тим вище швидкість фотосинтезу, але тим менше тривалість активної фотосинтетичної роботи листка на добу.

Величина інтенсивності фотосинтезу відображає напруженість зовнішніх факторів на даний момент, є результатом стану рослини в попередні дні (післядія) і в деякому ступені передує подіям, які можуть виникнути в майбутньому. В цьому полягають причини різноманітних денних коливань швидкості фотосинтезу в природі.

Вплив внутрішніх факторів. Залежність фотосинтезу від генетичних особливостей. Інтенсивність фотосинтезу відрізняється у рослин різних систематичних груп і життєвих форм. У трав вона в основному більша, ніж у дерев.

Величина інтенсивності фотосинтезу залежить і від типу відновлення СО₂. У С₃-рослин вона дорівнює 20-40, у С₄-рослин – 50-80 і навіть 100 мг СО₂/дм²∙год, у рослин типу САМ – 3-20 СО₂/дм²∙год. Ці показники отримані в штучних умовах, що жорстко контролюються, в природних умовах різниці менше.

В близькоспоріднених групах рослин швидкість фотосинтезу варіює мало. Тільки в несприятливих умовах, наприклад, під час посухи, виявляються відміни: більш посухостійкі види і сорти зберігають більш високу інтенсивність фотосинтезу.

Фотосинтетичний апарат дуже стійкий, він працює у різ¬них видів приблизно з однаковою швидкістю. Тому, що біохімічні процеси в світі тотожні.

Врожайність рослин, крім ін¬тенсивності фотосинтезу, залежить зокрема від розташування листків. Всі листки у культурних сортів менше затіняють один одного і тому поглинають більше світла. В результаті фотосинтез проходить інтенсивно не тільки в верхніх листках, але і в нижніх, і в рослині накопичується більше органічних речовин.

Інтенсивність фотосинтезу підпорядковується і ендогенним ритмам. У різних видів різна ритмічність фотосинтезу. Наприклад, при безперервному освітленні рослин квасолі інтенсивність фотосинтезу в період, що співпадає з астрономічною ніччю, менше, ніж в астрономічний день.

Залежність фотосинтезу від віку рослини. У всіх рослин на початку життєвого циклу, коли формується фотосинтетичний апарат, інтенсивність фотосинтезу зростає, а досягнувши максимальної величини, повільно зменшується.

Максимальна фотосинтетична активність листка співпадає з завершенням його формування. Після цього інтенсивність фотосинтезу деякий час не змінюється, а згодом на початку старіння листка знижується.

Інтенсивність фотосинтезу залежить від структури хлоропластів. При їх старінні руйнуються тилакоїди. Світлова фаза відбувається гірше з збільшенням віку хлоропластів. В умовах достатньої кількості води і азоту, які затримують старіння хлоропластів швидкість фотосинтезу з віком знижується повільніше.

Зменшення інтенсивності фотосинтезу з віком відбувається, навіть якщо збільшується концентрація хлорофілу. Тому, що інтенсивність фотосинтезу визначається не концентрацією хлорофілу, а структурою хлоропластів.

Швидкість фотосинтезу як хімічного процесу залежить від кількості продуктів реакції. Частина асимілятів перетворюється в первинний крохмаль в хлоропластах й виводиться з хімічних реакцій. Крохмаль вночі може перетворитись знову в сахарозу або в сорбіт і транспортуватись в інші органи. Але якщо накопичення асимілятів продовжується, то інтенсивність фотосинтезу зменшується.