Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

5.2: Світлозалежні реакції фотосинтезу

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    497

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Як світло можна використовувати для приготування їжі? Легко думати про світло як про те, що існує і дозволяє живим організмам, таким як людина, бачити, але світло - це форма енергії. Як і вся енергія, світло може подорожувати, змінювати форму і бути запряженим для роботи. У разі фотосинтезу світлова енергія перетворюється в хімічну енергію, яку автотрофи використовують для побудови молекул вуглеводів. Однак автотрофи використовують тільки певний компонент сонячного світла (рис. \(\PageIndex{1}\)).

    На фото зображений силует трав'янистої рослини проти сонця на заході.
    Малюнок \(\PageIndex{1}\): Автотрофи можуть захоплювати світлову енергію від сонця, перетворюючи її в хімічну енергію, що використовується для побудови молекул їжі. (Кредит: модифікація роботи Джеррі Атвелл, Служба риби та дикої природи США)

    ПОНЯТТЯ В ДІЇ

    Дивіться процес фотосинтезу всередині листа в цьому відео.

    Що таке світлова енергія?

    Сонце випромінює величезну кількість електромагнітного випромінювання (сонячної енергії). Люди можуть бачити лише частку цієї енергії, яку називають «видимим світлом». Спосіб подорожі сонячної енергії можна описати і виміряти як хвилі. Вчені можуть визначити кількість енергії хвилі, вимірюючи її довжину хвилі, відстань між двома послідовними, подібними точками в серії хвиль, наприклад, від гребеня до гребеня або жолоба до жолоба (рис. \(\PageIndex{2}\)).

    Ця ілюстрація показує дві хвилі. Відстань між гребенями (показано як сама верхня частина, на відміну від жолоба внизу) - довжина хвилі.
    Малюнок \(\PageIndex{2}\): Довжина хвилі однієї хвилі - це відстань між двома послідовними точками вздовж хвилі.

    Видиме світло являє собою лише один з багатьох видів електромагнітного випромінювання, що випромінюється від сонця. Електромагнітний спектр - це діапазон всіх можливих довжин хвиль випромінювання (рис. \(\PageIndex{3}\)). Кожна довжина хвилі відповідає різній кількості енергії, що переноситься.

    На цій ілюстрації наведено типи електромагнітного випромінювання в порядку зменшення довжини хвилі. Це гамма-промені, рентгенівські, ультрафіолетові, видимі, інфрачервоні та радіо
    Малюнок \(\PageIndex{3}\): Сонце випромінює енергію у вигляді електромагнітного випромінювання. Це випромінювання існує в різних довжин хвиль, кожна з яких має свою характерну енергію. Видиме світло - це один з видів енергії, що випромінюється від сонця.

    Кожен тип електромагнітного випромінювання має характерний діапазон довжин хвиль. Чим більше довжина хвилі (або чим більше розтягнутою вона виявляється), тим менше енергії переноситься. Короткі, тугі хвилі несуть найбільше енергії. Це може здатися нелогічним, але подумайте про це з точки зору шматка рухомої мотузки. Людині потрібно мало зусиль, щоб рухати мотузку довгими широкими хвилями. Щоб змусити мотузку рухатися короткими, тугими хвилями, людині потрібно буде докласти значно більше енергії.

    Сонце випромінює (рис. \(\PageIndex{3}\)) широкий спектр електромагнітного випромінювання, включаючи рентгенівські та ультрафіолетові (УФ) промені. Хвилі з вищою енергією небезпечні для живих істот; наприклад, рентгенівські та УФ-промені можуть бути шкідливими для людини.

    Поглинання світла

    Світлова енергія вступає в процес фотосинтезу, коли пігменти поглинають світло. У рослині молекули пігменту поглинають тільки видиме світло для фотосинтезу. Видиме світло, яке люди бачать як біле світло, насправді існує в веселці кольорів. Деякі предмети, такі як призма або крапля води, розсіюють біле світло, щоб розкрити ці кольори людському оку. Видима світлова частина електромагнітного спектра сприймається людським оком як веселка кольорів, причому фіолетовий і синій мають більш короткі довжини хвиль і, отже, більш високу енергію. На іншому кінці спектру до червоного, довжини хвиль довші і мають меншу енергію.

    Розуміння пігментів

    Існують різні види пігментів, і кожен поглинає лише певні довжини хвиль (кольори) видимого світла. Пігменти відображають колір довжин хвиль, які вони не можуть поглинути.

    Всі фотосинтезуючі організми містять пігмент під назвою хлорофіла, який люди бачать як загальний зелений колір, пов'язаний з рослинами. Хлорофіл а поглинає довжини хвиль з будь-якого кінця видимого спектру (синього і червоного), але не з зеленого. Оскільки зелений відбивається, хлорофіл здається зеленим.

    Інші типи пігментів включають хлорофіл b (який поглинає синє та червоно-оранжеве світло) та каротиноїди. Кожен тип пігменту може бути ідентифікований за конкретною схемою довжин хвиль, які він поглинає від видимого світла, що є його спектром поглинання.

    Багато фотосинтезуючих організмів мають суміш пігментів; між ними організм може поглинати енергію з більш широкого діапазону видимих довжин хвиль світла. Не всі фотосинтезуючі організми мають повний доступ до сонячного світла. Деякі організми ростуть під водою, де інтенсивність світла зменшується з глибиною, а певні довжини хвиль поглинаються водою. Інші організми ростуть в конкуренції за світло. Рослини на підлозі тропічних лісів повинні бути в змозі поглинати будь-який біт світла, який проходить через, тому що більш високі дерева перекривають більшу частину сонячного світла (рис \(\PageIndex{4}\)).

    На цій фотографії зображений підлісок в лісі.
    Малюнок \(\PageIndex{4}\): Рослини, які зазвичай ростуть у тіні, виграють від наявності різноманітних світлопоглинаючих пігментів. Кожен пігмент може поглинати різні довжини хвиль світла, що дозволяє рослині поглинати будь-яке світло, що проходить через більш високі дерева. (Кредит: Джейсон Холлінгер)

    Як працюють світлозалежні реакції

    Загальна мета світлозалежних реакцій полягає в перетворенні світлової енергії в хімічну. Ця хімічна енергія буде використана циклом Кальвіна для підживлення збірки молекул цукру.

    Світлозалежні реакції починаються з групування молекул пігменту та білків, званих фотосистемою. Фотосистеми існують в мембранах тилакоїдів. Молекула пігменту у фотосистемі поглинає один фотон, кількість або «пакет» світлової енергії, за один раз.

    Фотон світлової енергії подорожує, поки не досягне молекули хлорофілу. Фотон викликає електрон в хлорофілі, щоб стати «збуджений». Енергія, віддана електрону, дозволяє йому вирватися з атома молекули хлорофілу. Тому, як кажуть, хлорофіл «пожертвує» електрон (рис. \(\PageIndex{5}\)).

    Для заміни електрона в хлорофілі розщеплюється молекула води. Це розщеплення вивільняє електрон і призводить до утворення іонів кисню (O2) і водню (H+) в тилакоїдном просторі. Технічно кожен розрив молекули води вивільняє пару електронів, і тому може замінити два подаровані електрони.

    На цій ілюстрації показана фотосистема II, яка має світлозбиральний комплекс, що оточує реакційний центр. Молекули хлорофілу знаходяться в світлозаготівельному комплексі. У реакційному центрі збуджений електрон передається до первинного акцептора електронів. Молекула води розщеплюється, виділяючи один кисень, два протони і електрон. Електрон замінює подарований первинному акцептору електронів.
    Малюнок \(\PageIndex{5}\): Світлова енергія поглинається молекулою хлорофілу і передається по шляху до інших молекул хлорофілу. Енергія завершується молекулою хлорофілу, знайденої в реакційному центрі. Енергія «збуджує» один з своїх електронів, достатній для того, щоб покинути молекулу і перенестися в сусідній первинний акцептор електронів. Молекула води розщеплюється, щоб вивільнити електрон, який потрібен для заміни подарованого. Кисень і іони водню також утворюються від розщеплення води.

    Заміна електрона дає можливість хлорофілу реагувати на інший фотон. Молекули кисню, що утворюються як побічні продукти, знаходять свій шлях до навколишнього середовища. Іони водню відіграють критичну роль у решті світлозалежних реакцій.

    Майте на увазі, що метою світлозалежних реакцій є перетворення сонячної енергії в хімічні носії, які будуть використовуватися в циклі Кальвіна. У еукаріотів і деяких прокаріотів існують дві фотосистеми. Перша називається фотосистемою II, яка була названа за порядком її відкриття, а не за порядок функції.

    Після потрапляння фотона фотона фотосистема II передає вільний електрон першому в ряду білків всередині тилакоїдної мембрани, яка називається ланцюгом транспортування електронів. Коли електрон проходить уздовж цих білків, енергія від електрона палить мембранні насоси, які активно переміщають іони водню проти їх градієнта концентрації з строми в тилакоїдний простір. Це досить аналогічно процесу, що відбувається в мітохондріях, при якому ланцюг транспортування електронів перекачує іони водню з мітохондріальної строми через внутрішню мембрану і в міжмембранний простір, створюючи електрохімічний градієнт. Після використання енергії електрон приймається молекулою пігменту в наступній фотосистемі, яка називається фотосистемою I (рис. \(\PageIndex{6}\)).

    На цій ілюстрації показані компоненти, що беруть участь у світлових реакціях. Фотосистема II використовує світло для збудження електрона, який передається на ланцюг транспортування електронів хлоропласта. Потім електрон передається фотосистемі I і до NADP+редуктази, що робить NADPH. Цей процес утворює електрохімічний градієнт, який використовується ферментом АТФ синтази для виготовлення АТФ.
    Малюнок \(\PageIndex{6}\): З фотосистеми II електрон подорожує по ряду білків. Ця електронна транспортна система використовує енергію від електрона для перекачування іонів водню у внутрішню частину тилакоїда. Молекула пігменту у фотосистемі I приймає електрон.

    Генерування енергоносія: ATP

    У світлозалежних реакціях енергія, поглинена сонячним світлом, зберігається двома типами молекул енергоносіїв: АТФ і НАДПХ. Енергія, яку несуть ці молекули, зберігається в зв'язку, який утримує один атом до молекули. Для АТФ це атом фосфату, а для NADPH - атом водню. Нагадаємо, що NADH була аналогічною молекулою, яка несла енергію в мітохондріях з циклу лимонної кислоти в ланцюг транспортування електронів. Коли ці молекули вивільняють енергію в цикл Кальвіна, вони втрачають атоми, перетворюючись на молекули нижчої енергії ADP і NADP+.

    Накопичення іонів водню в тилакоїдному просторі утворює електрохімічний градієнт через різницю концентрації протонів (H+) і різниці заряду по всій мембрані, який вони створюють. Ця потенційна енергія збирається і зберігається як хімічна енергія в АТФ через хіміосмос, рух іонів водню вниз їх електрохімічний градієнт через трансмембранний фермент АТФ-синтазу, так само, як і в мітохондріях.

    Іони водню дозволяють проходити через тилакоїдну мембрану через вбудований білковий комплекс, який називається АТФ-синтазою. Цей самий білок генерував АТФ з АДФ в мітохондріях. Енергія, що генерується потоком іонів водню, дозволяє АТФ-синтазі приєднати третій фосфат до АДФ, який утворює молекулу АТФ в процесі, званому фотофосфорилюванням. Потік іонів водню через АТФ-синтазу називається хіміосмосом, оскільки іони рухаються з області високої до низької концентрації через напівпроникну структуру.

    Генерування іншого енергоносія: NADPH

    Інша функція світлозалежної реакції полягає у генеруванні іншої молекули енергоносія, NADPH. Коли електрон з ланцюга транспортування електронів надходить на фотосистему I, він знову заряджається іншим фотоном, захопленим хлорофілом. Енергія цього електрона керує утворенням NADPH з NADP+ та іона водню (H+ ). Тепер, коли сонячна енергія зберігається в енергоносіях, її можна використовувати для виготовлення молекули цукру.

    Резюме

    У першій частині фотосинтезу, світлозалежної реакції, молекули пігменту поглинають енергію від сонячного світла. Найпоширенішим і рясним пігментом є хлорофіл а. Фотон вражає фотосистему II, щоб ініціювати фотосинтез. Енергія рухається по ланцюжку транспортування електронів, яка нагнітає іони водню в тилакоїдний простір. При цьому утворюється електрохімічний градієнт. Іони протікають через АТФ-синтазу з тилакоїдного простору в строму в процесі, званому хіміосмосом, з утворенням молекул АТФ, які використовуються для утворення молекул цукру на другій стадії фотосинтезу. Фотосистема I поглинає другий фотон, що призводить до утворення молекули NADPH, іншого енергоносія для реакцій циклу Кальвіна.

    Глосарій

    спектр поглинання
    специфічна картина поглинання для речовини, яка поглинає електромагнітного випромінювання
    хлорофіл
    форма хлорофілу, який поглинає фіолетово-синє і червоне світло
    хлорофіл b
    форма хлорофілу, який поглинає синій і червоно-оранжевий світло
    електромагнітний спектр
    діапазон всіх можливих частот випромінювання
    фотон
    чітке кількість або «пакет» світлової енергії
    фотосистема
    Група білків, хлорофілу та інших пігментів, які використовуються в світлозалежних реакцій фотосинтезу поглинати світлову енергію і перетворити його в хімічну енергію
    довжина хвилі
    відстань між послідовними точками хвилі

    Дописувачі та атрибуції