Физико-химическая сущность фотосинтеза

Вопрос № 9      Физико-химическая сущность фотосинтеза

Ответ:    Физико-химическая сущность процесса фотосинтеза. Фотосинтез можно определить как процесс преобразования электромагнитной энергии в энергию химических связей, сопровождающийся увеличением энергетического потенциала системы.

Все живые системы  представляют собой термодинамически открытые системы, осуществляющие непрерывный  обмен веществом и энергией с  внешней средой. Для высших растений, водорослей и некоторых бактерий источником энергии является энергия солнечного излучения, при поглощении которой возрастают уровни свободной энергии (∆F) и общей энергии (∆U) (в последней значительную часть составляет электронная энергия) и снижается энтропия системы (T∆S): ∆F = ∆U- T∆S.

Накопление  энергии при фотосинтезе сопряжено с химической и электронной перестройкой участвующих в процессе компонентов.

В химическом отношении накопление энергии в процессе фотосинтеза связано с перестройкой химических связей. В соответствии с общим уравнением при фотосинтезе происходит разрыв связей в молекулах СО₂ (О=С=О) и Н₂О (Н—О—Н) и возникает иной тип химических связей

(С—С, С—Н,  СН₂О): 6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Разрыв связей в молекулах СО₂ и Н₂О требует затраты энергии +2510,4 кДж/моль (+600 ккал/моль), в расчете на СН₂О. При образовании связей (в СН₂О) энергия освобождается -2037,6 кДж/моль (-487 ккал/моль) и накапливается в продуктах реакции. Следовательно, необходимо ввести дополнительные ∆Е = 472,8 кДж/моль, чтобы из прочных, но бедных энергией СО₂ и Н₂О образовался СН₂О, или 2871,5 кДж/моль для синтеза молекулы углевода С₆Н₁₂О₆, — менее стабильного, но богатого энергией соединения. Источником дополнительной энергии служит солнечная энергия, которая и накапливается в конечных продуктах фотосинтеза.

Физический смысл фотосинтеза состоит в том, что в этом процессе происходит электронная перестройка молекул. В целом фотосинтез — окислительно-восстановительный процесс, в ходе которого электроны от воды (редокс-потенциал Н₂О/О₂ Е_м = +0,81 В) переносятся к пиридиннуклеотидам (редокс-потенциал НАДФ⁺/НАДФН Е_м = -0,32 В), где электроны находятся на более высоком энергетическом уровне. Перенос электрона идет против термодинамического потенциала и требует энергии. Разность окислительно-восстановительных потенциалов окисления воды и восстановления НАДФ равна 1,2 В. Следовательно, для переноса одного электрона термодинамически «вверх» (против термодинамического потенциала) необходимо затратить 1,2 эВ энергии. В итоге электронной перестройки компонентов и образования восстановленных соединений (НАДФН) накапливаются электроны с высоким энергетическим потенциалом. Таким образом, в световых реакциях фотосинтеза при поглощении энергии фотонов создается мощный восходящий поток электронов против градиента термодинамического потенциала. В результате создается большой фонд богатых энергией электронов с запасом энергии 1,5 — 2 эВ.

Рис. 1; Использование в метаболизме клетки энергетического и восстановительного потенциалов, возникающих в фотохимических реакциях

Эта редокс-энергия в процессах  фотосинтетического и окислительного фосфорилирования преобразуется в  другие виды химической энергии (электрохимический  потенциал, энергия фосфатных связей АТФ). Соединения, образующиеся в результате работы ЭТЦ, имеют высокий восстановительный потенциал (-0,43 В, -0,6 В). Создание мощного восстановительного потенциала в фотосинтезе имеет решающее значение для осуществления важнейших метаболических процессов и, прежде всего, для восстановления СО₂. Образующийся восстановительный потенциал используется также для восстановления NO , SO  и ряда соединений, участвующих в регуляции ферментов углеродного цикла (рис. 1).

Таким образом, главное значение фотосинтеза  состоит в генерации электронов с высоким энергетическим и восстановительным потенциалом. Фотосинтез находится в центре энергетического и конструктивного обмена и тесно связан со всеми физиологическими функциями растительного организма.

Вопрос №30 Цикл ди- и трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

Ответ: Цикл ди- и трикарбоновых кислот (цикл Кребса)– цикл лимонной кислоты или цикл Кребса – широко представленный в организмах животных, растений и микробов путь окислительных превращений ди- и трикарбоновых кислот, образующихся в качестве промежуточных продуктов при распаде и синтезе белков, жиров и углеводов. Открыт Х.Кребсом и У.Джонсоном (1937). Этот цикл является основой метаболизма и выполняет две важных функции – снабжения организма энергией и интеграции всех главных метаболических потоков, как катаболических (биорасщепление), так и анаболических (биосинтез).

Цикл Кребса состоит из 8 стадий, в ходе которых происходит: полное окисление ацетильного остатка до двух молекул СО₂, образуются три молекулы восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) и одна восстановленного флавинадениндинуклеотида (ФАДН₂), что является главным источником энергии, производимой в цикле и образуется одна молекула гуанозинтрифосфата (ГТФ) в результате так называемого субстратного окисления.

Как исходное соединение для образования ацетил-КоА обычно указывается пировиноградная кислота (пируват), образующаяся при гликолизе и занимающая одно из центральных мест в перекрещивающихся путях обмена веществ. Под влиянием фермента сложной структуры – пируватдегидрогеназы (КФ1.2.4.1 – ПДГаза) пирувата окисляется с образованием CO₂ (первое декарбоксилирование), ацетил-КоА и восстановливается НАД. Однако окисление пирувата – далеко не единственный путь образования ацетил-КоА, который также является характерным продуктом окисления жирных кислот (фермент тиолаза или синтетаза жирных кислот) и других реакций разложения углеводов и аминокислот. Все ферменты, участвующие в реакциях цикла Кребса, локализованы в митохондриях, причем большинство из них растворимы, а сукцинатдегидрогеназа (КФ1.3.99.1) прочно связана с мембранными структурами.

Образование лимонной кислоты, с  синтеза которой и начинается собственно цикл, при помощи цитратсинтазы (КФ4.1.3.7 – конденсирующий фермент  на схеме), является реакцией эндергонической (с поглощением энергии), и ее реализация возможна благодаря использованию богатой энергией связи ацетильного остатка с KoA [СН₃СО~SKoA]. Это главная стадия регуляции всего цикла. Далее следует изомеризация лимонной кислоты в изолимонную через промежуточную стадию образования цис-аконитовой кислоты (фермент аконитаза КФ4.2.1.3, обладает абсолютной стереоспецифичностью – чувствительностью к местоположению водорода). Продуктом дальнейшего превращения изолимонной кислоты под влиянием соответствующей дегидрогеназы (изоцитратдегидрогеназа КФ1.1.1.41) является, щавелевоянтарная кислота, декарбоксилирование которой (вторая молекула CO₂) приводит к КГ. Эта стадия также строго регулируется. По ряду характеристик (высокая молекулярная масса, сложная многокомпонентная структура, ступенчатые реакции, частично те же коферменты и т.д.) КГдегидрогеназа (КФ1.2.4.2) напоминает ПДГазу. Продуктами реакции являются CO₂ (третье декарбоксилирование), Н⁺ и сукцинил-КоА. На этой стадии включается сукцинил-КоА-синтетаза, иначе называемая сукцинаттиокиназой (КФ6.2.1.4), катализирующая обратимую реакцию образования свободного сукцината: Сукцинил-КоА + Р_неорг + ГДФ = Сукцинат + KoA + ГТФ. При этой реакции осуществляется так называемое субстратное фосфорилирование, т.е. образование богатого энергией гуанозинтрифосфата (ГТФ) за счет гуанозиндифосфата (ГДФ) и минерального фосфата (Р_неорг) с использованием энергии сукцинил-КоА. После образования сукцината вступает в действие сукцинатдегидрогеназа (КФ1.3.99.1) – флавопротеид, приводящий к фумаровой кислоте. ФАД соединен с белковой частью фермента и является метаболически активной формой рибофлавина (витамин В₂). Этот фермент также характеризуется абсолютной стереоспецифичностью элиминирования водорода. Фумараза (КФ4.2.1.2) обеспечивает равновесие между фумаровой кислотой и яблочной (также стереоспецифична), а дегидрогеназа яблочной кислоты (малатдегидрогеназа КФ1.1.1.37, нуждающаяся в коферменте НАД⁺, также стереоспецифична ) приводит к завершению цикла Кребса, то есть к образованию щавелевоуксусной кислоты. После этого повторяется реакция конденсации щавелевоуксусной кислотой с ацетил-КоА, приводящая к образованию лимонной кислоты, и цикл возобновляется.

Сукцинатдегидрогеназа входит в состав более сложного сукцинатдегидрогеназного комплекса (комплекса II) дыхательной цепи, поставляя восстановительные эквиваленты, (НАД-Н₂), образующиеся прив реакции, в дыхательную цепь.

На примере ПДГазы можно познакомиться  с принципом каскадной регуляции  активности метаболизма за счет фосфорилирования-дефосфорилирования соответствующего фермента специальными киназой и фосфатазой ПДГазы. Обе они присоединены к ПДГазе.

Предполагается, что катализ индивидуальных ферментативных реакций осуществляется в составе надмолекулярного «сверхкомплекса», так называемого «метаболона». Преимущества такой организации ферментов состоят в том, что нет диффузии кофакторов (коферментов и ионов металлов) и субстратов, а это способствует более эффективной работе цикла.

Энергетическая эффективность  рассмотренных процессов невелика, однако образующиеся при окислении пирувата и последующих реакциях цикла Кребса 3 моля НАДН и 1 моль ФАДН₂ являются важными продуктами окислительных превращений. Дальнейшее их окисление осуществляется ферментами дыхательной цепи также в митохондриях и сопряжено с фосфорилированием, т.е. образованием АТФ за счет этерификации (образования фосфороорганических эфиров) минерального фосфата. Гликолиз, ферментное действие ПДГазы и цикл Кребса – всего в сумме 19 реакций – определяют полное окисление одной молекулы глюкозы до 6 молекул CO₂ с образованием 38 молекул АТФ – этой разменной «энергетической валюты» клетки. Процесс окисления НАДН и ФАДН₂ ферментами дыхательной цепи энергетически весьма эффективен, происходит с использованием кислорода воздуха, приводит к образованию воды и служит основным источником энергетических ресурсов клетки (более 90%).

В основе интегрирующей функции  цикла Кребса в метаболизме лежит  то, что углеводы, жиры и аминокислоты из белков могут превращаться в конечном счете в интермедиаты (промежуточные  соединения) этого цикла или синтезироваться из них. Выведение интермедиатов из цикла при анаболизме должно сочетаться с продолжением катаболической активности цикла для постоянного образования АТФ, необходимого для биосинтезов. Таким образом, цикл должен одновременно выполнять две функции. При этом концентрация интермедиатов (особенно ОА) может понижаться, что способно привести к опасному понижению производства энергии. Для предотвращения служат «предохранительные клапаны», называемые анаплеротическими реакциями (от греч. «наполнять»). Важнейшей является реакция синтеза ОА из пирувата, осуществляемая пируваткарбоксилазой (КФ6.4.1.1), также локализованной в митохондриях. В результате накапливается большое количество ОА, что обеспечивает синтез цитрата и др. интермедиатов, что позволяет циклу Кребса нормально функционировать и, вместе с тем, обеспечивать выведение интермедиатов в цитоплазму для последующих биосинтезов. Таким образом, на уровне цикла Кребса происходит эффективно скоординированная интеграция процессов анаболизма и катаболизма под действием многочисленных и тонких регуляторных механизмов, в том числе гормональных.

В анаэробных условиях вместо цикла  Кребса функционируют его окислительная  ветвь до КГ (реакции 1, 2, 3) и восстановительная  – от ОА до сукцината (реакции 8®7®6). При этом много энергии не запасается и цикл поставляет только интермедиаты для клеточных синтезов.

У большинства растений, бактерий и многих грибов тесное сопряжение преодолевается развитием несопряженных  альтернативных путей окисления, позволяющих поддерживать одновременно дыхательную активность и активность цикла на высоком уровне даже при высоком фосфорильном потенциале.

Вопрос №60 Влияние внешних и внутренних факторов на корневое давление.

Ответ: Иногда можно наблюдать выделение капелек жидкости из неповрежденных листьев. Это гуттация. Она ярко проявляется у проростков злаков, У каллы, манжетки, земляники. Из древесных растений нередко гуттируют ольха, ивы, вязы и некоторые другие. Гуттация обусловлена тем, что при высокой влажности воздуха и почвы в теплую погоду вода, поступившая в растение, не испаряется, а выдавливается в виде капелек жидкости. У срезанного побега дерева или кустарника даже при 100 % влажности воздуха гуттация наблюдаться не будет, ибо отсутствует корневое давление.

«Плач» и  гуттация связаны с наличием корневого давления, нагнетающего воду вверх из корней по растению. Само корневое давление является результатом жизнедеятельности корня. Движущей силой корневого давления служит энергия аэробного дыхания, ибо ингибиторы дыхания (яды, наркотики) и анаэробиоз приводят к прекращению корневого давления.

Роль процесса дыхания в проявлении корневого давления может быть не только прямой, но и косвенной. Энергия этого процесса способствует поглощению ионов солей из почвы, передвижению их по живым клеткам корня и выделению в полости сосудов центрального цилиндра корня. При интенсивном дыхании концентрация солей в сосудах корня увеличивается, а вместе с ней повышается осмотическое давление раствора в сосудах.

Существуют две основные гипотезы, объясняющие механизм действия корневого давления:

Осмотuческая теория основана на явлениях осмоса. В сосудах центрального цилиндра поглощающего корня всегда находится раствор определенной концентрации, обладающий сосущей силой, равной целиком осмотическому давлению, так как в мертвых элементах ксилемы отсутствует тургорное давление. Поэтому вода будет отсасываться от ближайшей к сосуду клетки. Теряя воду, эта клетка будет развивать большую сосущую силу, что позволит ей отнимать воду от соседней с ней клетки и т.д. Клетки коровой паренхимы и центрального цилиндра корня будут испытывать недонасыщение водой. Этот дефицит коснется и корневого волоска, способного поглощать воду из почвы. При этом распределение величины осмотического давления в ряду клеток, про водящих воду, не играет никакой роли, ибо основным фактором осмотического поглощения воды выступает сосущая сила клеток.