6.5.3. Механізм участі у процесі перетворення сонячної енергії

Суть світлової стадії фотосинтезу полягає у перетворенні енергії квантів світла в енергію хімічнх лабільних високореактивних сполук – АТР і НАДР.Н₂. Утворення їх відбувається послідовно під час фотофізичного і фотохімічного етепів.

Ефективність фотофізичного етапу визначається енергією кванта світла, поглинутого молекулою хлорофілу реакційного центру. При поглинанні світла молекула переходить у збуджений стан, тобто один з її електронів потрапляє на більш високий енергетичний рівень. Якщо поглинуто квант синього світла (65 кДж.), то електрон у молекулі хлорофілу з основного (S₀ рівня) підніметься до синглетного рівня – S₂^* (рис. 35).

Такий стан енергетично нестійкий, і електрон майже у ту ж мить (через 10^-12 – 10^-9 сек) повертається до основного (початкового) рівня. Енергія збудження на зворотному шляху від S₂^* до S₁^* частково перетворюється на тепло, а на ділянці S₁^* – S₀ розсіюється у вигляді тепла або флуоресценції і практично не перетворюється в енергію хімічних зв’язків.

Рис. 35. Рівні збудження хлорофілу під впливом світла різної довжини хвилі:

1– поглинання кванта синього світла; 2 – поглинання кванта червоного світла;

При поглинанні кванта червоного світла (44 кДж) електрон з S₀-рівня потрапляє на більш низький, ніж при синьому світлі S₁^*-рівень (рис. 34), знаходиться на ньому дуже короткий відрізок часу (10^-5 – 10^-7 сек) і повертається на початковий рівень S₀, віддаючи енергію збудження у вигляді тепла або флуоресценції. На зворотному шляху спин його може змінитися на протилежний, тобто стати таким, як і в електрона, що знаходиться на S₀-рівні. Згідно із законом заборони Паулі, на одній орбіталі не можуть одночасно знаходитися два електрони з однаковим спином. Тому електрон, який повертається з S₁^* до S₀, затримується на триплетному рівні Т до того часу, доки знак його спину не відновиться до початкового. На це витрачається 10² – 10³ сек. Цього часу цілком достатньо, щоб електрон, який знаходиться на триплетному рівні, встиг прореагувати з молекулою хімічного акцептора - відповідного ферменту і передати йому частину енергії, яка буде витрачена на утворення певної енергетичної сполуки – АТР і НАДР.Н₂ . Якщо цього не трапиться, то енергія збудження теж розсіюється у вигляді тепла або флуоресценції.

Таким чином, фотофізичний етап – це етап, на якому енергія світлового випромінення перетворюється в енергію збудженого електрона молекули хлорофілу реакційного центра.

У подальших фотохімічних реакціях беруть участь тільки електрони молекул хлорофілу, що знаходяться у довгоживучому (триплетному) стані збудження. На фотохімічному етапі енергія збудженого електрона перетворюється у хімічно пов’язану енергію сполук АТР і НАДР.Н₂ . Процес утворення цих сполук відбувається у такій послідовності:

а) фотоліз води – розщеплення води, індуковане хлорофілом, окисленим під впливом світла:

б) фотосинтетичне фосфорилювання – циклічне і нециклічне.

6.5.4. Фотоліз води

Фотоліз води – це реакція розщеплення води, яка спостерігається при освітленні хлоропластів. У її здійсненні безпосередню участь бере хлорофіл. Фотохімічне розщеплення води було вперше виявлене Р.Хіллом у 1937р. При освітленні суспензії хлоропластів у присутності акцептора електронів (А)

виділявся кисень:

На честь ученого, що відкрив це явище, воно було назване реакцією Хілла.

Природнім акцептором електронів у цій реакції є нікотинамідаде-ніндинуклеотидфосфат (НАДР⁺).

Та обставина, що реакція Хілла здійснюється без участі СО₂, свідчить, про те, що кисень, який виділяється при фотосинтезі, є киснем води, а не вуглекислого газу, як це вважалося раніше.

Фотоліз води здійснюється шляхом відщеплення електронів (фотоокислення) від молекул води з наступним виділенням протонів і вільного молекулярного кисню:

Електрони і протони, що утворилися у реакції Хілла, використовуються у світловій стадії фотосинтезу для відновлення НАДР⁺ до НАДР^.Н₂ і заповнення електронної дірки у ФС-1 при нециклічному фотосинтетичному фосфорилюванні.