Фотосинтез как сочетание световых и темновых реакций (исследования Ф. Блекмана, Д.А. Рихтера и В.И. Любименко).

Доказательства существовании световой и темновой фаз фотосинтеза. Уравнение ван Ниля включает две группы реакций, причем одна связана с фотодиссоциацией воды, а другая. не зависящая от света, — с восстановлением СО2 до углевода;

Первую реакцию можно назвать световой, вторую - темновой Экспериментальные доказательства реального существования этих двух фаз фотосинтеза были получены в опытах с мигающим светом проведенные в России (А. А, Рихтер, 1914) и в США (Р. Эмерсон и У. Арнольд, 1932, 1941), показали, что максимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается не при непрерывном, а при импульсном освещении (пересчет сделан на время освещения) и особенно в тех случаях, когда продолжительность темновых промежутков составляла 0, 04-0, 06 с (при 25 С). Оптимальное время световой вспышки оказалось порядка 10 с. Большая эффективность импульсного света доказывает наличие темновых реакций в фотосинтезе, так как темновые (энзиматические) процессы осуществляются более медленно, чем фотохимические.

Другим доказательством существования темновой фазы фотосинтеза является величина его температурного коэффициента. показывающего, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10 " С. Для химических, в том числе энзиматических процессов, составляет от 2 до 4, для фотохимических, не зависящих от температуры, он близок к единице. Для интенсивности фотоинтеза при 15 и 25 " С величина равна 2, 0-2, 5. Следовательно, интенсивность фотосинтеза определяется скоростью его химических (темновых) реакций.

Окончательно вопрос о двухэтапности процесса фотосинтеза был решен американским физиологом и биохимиком растений Д. И. Арноном. В 1954 г. в его лаборатории было показано, что выделенные из листьев шпината хлоропласты под действием света способны восстанавливать NADPH и фосфорилировать ADP. Таким образом, в этих опытах было открыто явление фотофосфорилирования, показано, что NADPH и АТР - конечные продукты световой фазы фотосинтстаза и, наконец, установлено, что световая фаза протекает в тилакоидах хлоропласта, а темновая — в его строме.

видефлуоресценции или в виде теплоты, не может быть использована.

В настоящее время показано, что хлорофилл имеет две функции — поглощение и передачу энергии. При этом основная часть молекул хлорофилла (светособирающий комплекс — ССК) только поглощает свет и переносит энергию возбуждения на особые молекулы хлорофилла, которые непосредственно участвуют в фотохимическом процессе. Такое устройство позволяет значительно полнее использовать энергию света. Подсчитано, что каждая молекула хлорофилла на прямом солнечном свету поглощает квант света не чаще чем через 0, 1 с. Между тем скорость последующих реакций фотосинтеза значительно больше. Из сказанного следует, что при непосредственной связи каждой молекулы хлорофилла с последующей реакцией процесс фотосинтеза шел бы прерывисто. Необходимо учитывать также, что использование энергии света в химических реакциях требует большогоколичества ферментов. Если бы каждая молекула хлорофилла отдавала энергию света непосредственно на фотохимические процессы, то в листе не хватило бы места для размещения всех необходимых для этого ферментных систем. В процессе эволюции в растениях выработался механизм, позволяющий наиболее полно использовать кванты света, падающие на лист подобно каплям дождя. Механизм этот заключается в том, что энергия квантов света улавливается 200—400 молекулами антенного хлорофилла ССК и как бы стекается к одной, особой его молекуле, являющейся ловушкой и входящей в реакционный центр (рис.). В улавливании и передаче энергии на молекулу хлорофилла-ловушки могут участвовать не только молекулы хлорофилла, но и каротиноиды и фикобилины.

Передача энергии между молекулами пигментов идет главным образом резонансным путем, без разделения зарядов с большой скоростью. Так, время переноса энергии от одной молекулы хлорофилла к другой составляет 1 х 10 ^-12—2 х 10 ^-12 с, а от молекулы каротиноидов к хлорофиллу 4 х 10 ^-10 с. Таким образом, время переноса энергии значительно меньше времени жизни возбужденной молекулы (10^{- 8} с). Такой перенос может осуществляться только при близком расстоянии между молекулами пигментов. Расчеты показали, что в одном хлоропласте до 1 млрд. молекул хлорофилла.
Расстояние между молекулами хлорофилла в мембранах составляет
всего 1 нм. Перенос энергии происходит только от пигментов, поглощающих свет с меньшей длиной волны, к пигментам, поглощающих свет с большей длиной волны. Дело в том, что хотя передача энергии от одной молекулы пигмента к другой идет с большой эффективностью (от хлорофилла b к хлорофиллу а — 90%, от каротиноидов к хлорофиллу — 40%), однако все же это связано с некоторой ее потерей. Вместе с тем кванты света с меньшей длиной волны обладают большей энергией. Потеря энергии приводит к превращению квантов в более мелкие (с большей длиной волны). Именнопоэтому основные формы хлорофилла, к которым стекается энергия, являются более длинноволновыми (хлорофиллы П₆₈₀ и П₇₀₀). Обратный перенос энергии невозможен.

Таким образом, в первичных процессах фотосинтеза, связанных с поглощением молекулой хлорофилла кванта света, важную роль играют процессы передачи энергии. Фотофизический этап фотосинтеза и заключается в том, что кванты света поглощаются и переводят молекулы пигментов в возбужденное состояние. Затем эта энергия переносится на хлорофилл-ловушку, входящую в реакционный центр, осуществляющий первичные фотохимические реакции: разделение зарядов.

Дальнейшее превращение энергии света в химическую энергию проходит ряд этапов, начиная с окислительно-восстановительных превращений хлорофилла и включая как фотохимические (световые), так и энзиматические (темновые) реакции.