Роль углеводов в жизнедеятельности растений. Особенности процесса фотосинтеза

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Углеводы входят в состав клеток и тканей всех растений и животных организмов. В сухом остатке различных органов растений находится примерно 70…80 % углеводов. Более низкое содержание углеводов отмечается лишь в семенах масличных растений. В организме человека и животных углеводы легко подвергаются распаду, в процессе которого выделяется значительное количество энергии. Своё название углеводы получили потому, что соотношение водорода и кислорода в молекулах первых известных их представителей было 2:1, вследствие чего их рассматривали как соединения с водой.

По химической природе они представляют собой соединения, содержащие альдегидную или кетонную и несколько гидроксильных групп, или продукты их конденсации.

1. Роль углеводов в жизнедеятельности растений

Анаболизм -- совокупность метаболических процессов биосинтеза сложных молекул с затратой энергии. Сложные молекулы, входящие в состав клеточных структур, синтезируются последовательно из более простых предшественников. Анаболизм включает три основных этапа, каждый из которых катализируется специализированным ферментом. На первом этапе синтезируются молекулы-предшественники, например, аминокислоты, моносахариды, терпеноиды и нуклеотиды. На втором этапе предшественники с затратой энергии АТР преобразуются в активированные формы. На третьем этапе активированные мономеры объединяются в более сложные молекулы, например, белки, полисахариды, липиды и нуклеиновые кислоты.Не все живые организмы могут синтезировать все биологически активные молекулы. Автотрофы могут синтезировать сложные органические молекулы из таких простых неорганических низкомолекулярных веществ, как углекислый газ и вода. Гетеротрофам необходим источник более сложных веществ, таких как моносахариды и аминокислоты, для создания более сложных молекул. Организмы классифицируют по их основным источникам энергии: фотоавтотрофы и фотогетеротрофы получают энергию из солнечного света, в то время как хемоавтот Фотосинтезом называют процесс биосинтеза сахаров из углекислого газа, при котором необходимая энергия поглощается из солнечного света. У растений, цианобактерий и водорослей, при кислородном фотосинтезе происходит фотолиз воды, при этом, как побочный продукт, выделяется кислород. Для преобразования CO2 в 3-фосфоглицерат используется энергия АТР и NADPH, запасенная в фотосистемах. Реакция связывания углерода осуществляется с помощью фермента рибулозобисфосфаткарбоксилазы и является частью цикла Кальвина. У растений классифицируют три типа фотосинтеза -- по пути трехуглеродых молекул, по пути четырехуглеродых молекул, и CAM фотосинтез. Три типа фотосинтеза отличаются по пути связывания углекислого газа и его вхождения в цикл Кальвина; у C3 растений связывание CO2 происходит непосредственно в цикле Кальвина, а при С4 и CAM CO2 предварительно включается в состав других соединений. Разные формы фотосинтеза являются приспособлениями к к интенсивному потоку солнечных лучей и к сухим условиям. У фотосинтезирующих прокариот механизмы связывания углерода более разнообразны. Углекислый газ может быть фиксирован в цикле Кальвина, в обратном цикле Кребса, или в реакциях карбоксилирования ацетил-КоА. Прокариоты -- хемоавтотрофы также связывают CO2 через цикл Кальвина, но для протекания реакции используют рофы и хемогетеротрофы получают энергию из неорганических реакций окисления. В процессе анаболизма сахаров простые органические кислоты могут быть преобразованы в моносахариды, например, в глюкозу, и затем использованы для синтеза полисахаридов, таких как крахмал. Образование глюкозы из соединений, как пируват, лактат, глицерин, 3-фосфоглицерат и аминокислот называют глюконеогенезом. В процессе глюконеогенеза пируват превращается глюкозо-6-фосфат через ряд промежуточных соединений, многие из которых образуются и при гликолизе. Однако глюконеогенез не просто является гликолизом в обратном направлении, так как несколько химических реакций катализируют специальные ферменты, что дает возможность независимо регулировать процессы образования и распада глюкозы.

Многие организмы запасают питательные вещества в форме липидов и жиров, однако, позвоночные не имеют ферментов, катализирующих превращение ацетил-КоА в пируват. После длительного голодания позвоночные начинают синтезировать кетоновые тела из жирных кислот, которые могут заменять глюкозу в таких тканях, таких как головной мозг. У растений и бактерии, данная метаболическая проблема решается использованием глиоксилатного цикла, который обходит этап декарбоксилирования в цикле лимонной кислоты и позволяет превращать ацетил-КоА в оксалоацетат, и далее использовать для синтеза глюкозы. Полисахариды выполняют структурные и метаболические функции, а также могут быть соединены с липидами и белками. Рассмотрим углеводы в растениях, которые, как и жиры, органические кислоты и дубильные вещества имеют важное значение, и постоянно встречаются как в вегетативных органах, так и в органах размножения.

Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода. Последние два элемента находятся между собой в таком же количественном сочетании, как в воде (Н2О), то есть на определенное число атомов водорода приходится в два раза меньшее число атомов кислорода.

Углеводы составляют до 85-90 % веществ, входящих в растительный организм.

Углеводы являются основным питательным и опорным материалом в клетках и тканях растений.

Углеводы подразделяются на моносахариды, дисахариды и полисахариды.

Из моносахаридов в растениях распространены гексозы, имеющие состав С6Н12О6. К ним относятся глюкоза, фруктоза и др.

Глюкоза (иначе называется декстроза или виноградный сахар) содержится в ягодах винограда - около 20%, в яблоках, грушах, сливах, черешне и винных ягодах. Глюкоза обладает способностью выкристаллизовываться.

Фруктоза (иначе называется левулеза или плодовый сахар) кристаллизуется с трудом, встречается вместе с глюкозой в плодах, нектарниках, пчелином меде, луковицах и т.п. Левулезой фруктоза называется потому, что при прохождении через нее поляризованного луча света последний отклоняется влево. В противоположность фруктозе виноградный сахар отклоняет поляризованный луч вправо. Поляризованным светом называется свет, пропущенный через призмы из исландского шпата, обладающего двойным лучепреломлением. Призмы эти являются составной частью поляризационного аппарата.

Свойства гексоз следующие. Они обладают особо сладким вкусом и легкорастворимы в воде. Первичное образование гексоз происходит в листьях. Они легко превращаются в крахмал, который, в свою очередь, легко может переходить в сахар при участии фермента диастаза. Глюкоза и фруктоза обладают способностью легко проникать из клетки в клетку и быстро передвигаться по растению. В присутствии дрожжей гексозы легко бродят и превращаются в спирт. Характерный и чувствительный реактив на гексозы - синяя фелингова жидкость, с помощью ее можно легко открыть малейшие их количества: при нагревании выпадает кирпично-красный осадок закиси меди.

Иногда гексозы встречаются в растениях в соединении с ароматическими спиртами, с горькими или едкими веществами. Эти соединения называют тогда глюкозидами, например амигдалин, придающий горечь семенам миндаля и других косточковых растений. Амигдалин содержит ядовитое вещество - синильную кислоту. Глюкозиды не только защищают семена и плоды от поедания животными, но и предохраняют семена сочных плодов от преждевременного прорастания.

Дисахариды - углеводы, имеющие состав C12H22O11. К ним относятся сахароза, или тростниковый сахар, и мальтоза. Сахароза образуется в растениях из двух частиц гексоз (глюкозы и фруктозы) с выделением частицы воды:

C6H12О6 + C6H12О6 = C12H22O11 + Н2О.

При кипячении с серной кислотой к тростниковому сахару присоединяется частица воды, и дисахарид распадается на глюкозу и фруктозу:

C12H22О11 + Н2О = C6H12О6 + C6H12О6.

Эта же реакция происходит при действии на тростниковый сахар фермента инвертазы, поэтому превращение тростникового сахара в гексозы называется инверсией, а полученные гексозы - инвертированным, сахаром.

Тростниковый сахар - это тот сахар, который употребляется в пищу. Его издавна добывают из стеблей злака - сахарного тростника (Saccharum officinarum), растущего в тропических странах. Он встречается также в корнях многих корнеплодов, из которых больше всего его находится в корнях сахарной свеклы (от 17 до 23%). Из сахарной свеклы тростниковый сахар добывают на свеклосахарных заводах. Сахароза легко растворяется в воде и хорошо кристаллизуется (сахарный песок). Она не восстанавливает закиси меди из фелинговой жидкости.

Мальтоза образуется из крахмала под действием фермента диастаза:

2(С6Н10О5)n + nН2О = nC12H22O11.

При расщеплении (гидролизе) молекулы мальтозы под действием фермента мальтазы образуются две молекулы гексозы:

C12H22О11 + Н2О = 2C6H12O6.

Мальтоза восстанавливает закись меди из фелинговой жидкости.

В некоторых растениях (у хлопчатника в семенах, у эвкалипта в листьях, у сахарной свеклы в корнях и др.) еще встречается трисахарид рафиноза (C18H32O16).

Полисахариды - углеводы, имеющие состав (C6H10О5)n Полисахариды можно рассматривать как несколько частиц моносахаридов, от которых отделилось столько же частиц воды:

nC6H12O6 - nН2О = (C6H10O5)n.

В живых тканях растений к полисахаридам (или полиозам) относятся крахмал, инулин, клетчатка, или целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества и др. В грибах находится гликоген - углевод, свойственный животным организмам и потому называемый иногда животным крахмалом.

2. Особеенности крахмала

Крахмал - высокомолекулярный углевод, в растениях содержится как запасное вещество. Первичный крахмал образуется в зеленых частях растения, например в листьях, в результате процесса фотосинтеза. В листьях же крахмал превращается в глюкозу, которая во флоэме жилок превращается в сахарозу и оттекает из листьев, и направляется в растущие части, растения или в места отложения запасных веществ. В этих местах сахароза превращается в крахмал, который откладывается в форме мельчайших зерен. Такой крахмал называется вторичным.

Местами отложения вторичного крахмала являются лейкопласты, находящиеся в клетках клубней, корней и плодов.

Основные свойства крахмала следующие:

1) в холодной воде он не растворяется;

2) при нагревании в воде происходит превращение его в клейстер;

3) крахмальные зерна имеют скрытокристаллическое строение;

4) от действия раствора йода окрашивается в синий, темно-синий, фиолетовый и черный цвет (в зависимости от крепости раствора);

5) под влиянием фермента диастаза крахмал превращается в сахар;

6) в поляризованном свете крахмальные зерна светятся и на них видна характерная фигура темного креста.

Крахмал состоит из нескольких компонентов - амилозы, амилопектина и др., различающихся растворимостью в воде, реакцией с раствором йода и некоторыми другими признаками. Амилоза растворяется в теплой воде и от йода окрашивается в ярко-синий цвет; амилопектин слабо растворяется даже в горячей воде и от йода приобретает красно-фиолетовый цвет.

Количество крахмала в растениях сильно колеблется: в зернах хлебных злаков содержится его 60-70 %, семенах бобовых - 35-50%, в картофеле - 15-25 %.

3. Другие разновидности углеводных веществ, встречающиеся в растительном мире

Инулин - полисахарид, встречающийся в подземных органах многих растений семейства сложноцветных в качестве запасного питательного углевода. Такими растениями являются, например, девясил (lnula), георгин, земляная груша и др. Инулин находится в клетках в растворенном виде. При выдерживании в спирте корней и клубней сложноцветных растений инулин выкристаллизовывается в форме сферокристаллов.

Клетчатка, или целлюлоза, также как и крахмал, в воде не растворяется. Оболочки клеток состоят из клетчатки. Состав ее сходен с крахмалом. Примером чистой клетчатки может служить вата, состоящая из волосков, покрывающих семена хлопчатника. Фильтровальная бумага хорошего качества также состоит из чистой клетчатки. Растворяется клетчатка в аммиачном растворе окиси меди. При действии серной кислоты клетчатка переходит в амилоид - коллоидное вещество, напоминающее крахмал и окрашивающееся от йода в синий цвет. В крепкой серной кислоте клетчатка растворяется, превращаясь в глюкозу. Реактивом на клетчатку является хлор-цинк-йод, от которого она принимает фиолетовый цвет. Хлористый цинк, так же как и серная кислота, сперва переводит клетчатку в амилоид, который затем уже подвергается окрашиванию йодом. От чистого йода клетчатка желтеет. Под влиянием фермента цитазы клетчатка переходит в сахар. Клетчатка играет важную роль в промышленности (ткани, бумага, целлулоид, пироксилин).

В растениях оболочки клеток, состоящие из клетчатки, часто подвергаются одревеснению и опробковению.

Количество целлюлозы и древесины сильно колеблется в различных растениях и разных их частях. Например, в зернах голых злаков (ржи, пшеницы) содержится 3-4 % целлюлозы и древесины, а в зерне пленчатых злаков (ячменя, овса) содержится 8-10% , в сене - 34 %, овсяной соломе - 40 %, ржаной соломе - до 54 %.

Гемицеллюлоза - вещество, сходное с клетчаткой, откладывается как запасное питательное вещество. В воде не растворяется, но слабые кислоты легко подвергают ее гидролизу, тогда как клетчатка гидролизуется концентрированными кислотами.

Гемицеллюлоза откладывается в клеточных оболочках зерен злаков (кукурузы, ржи и др.), в семенах люпина, финика и пальмы Phytelephas macrocarpa. Твердость ее такова, что семена пальмы идут на изготовление пуговиц под названием «растительная слоновая кость». При прорастании семян гемицеллюлоза растворяется, превращаясь с помощью ферментов в сахар: она идет на питание зародыша.

Пектиновые вещества - высокомолекулярные соединения углеводной природы. Содержатся в значительном количестве в плодах, клубнях и стеблях растений. В растениях пектиновые вещества обычно встречаются в виде нерастворимого в воде протопектина. При созревании плодов нерастворимый в воде протопектин, содержащийся в клеточных стенках, превращается в растворимый пектин. В процессе мочки льна под действием микроорганизмов пектиновые вещества гидролизуются - происходит мацерация и отделение волокон друг от друга. (Мацерация (от латинского «мацерация» - размягчение) - естественное или искусственное разъединение клеток ткани в результате разрушения межклеточного вещества).

Слизи и гумми - коллоидные полисахариды, растворимые в воде. Слизи содержатся в большом количестве в кожуре семян льна. Гумми можно наблюдать, в виде вишневого клея, образующегося в местах повреждений ветвей и стволов вишен, слив, абрикоса и др.

Лихенин - полисахарид, содержащийся в лишайниках (например, в «исландском мхе» - Cetraria islandica).

Агар-агар - высокомолекулярный полисахарид, содержащийся в некоторых морских водорослях. Агар-агар растворяется в горячей воде, а после охлаждения застывает в виде студня. Применяется в бактериологии для питательных сред и в кондитерской промышленности для изготовления желе, пастилы, мармеладов.

Углеводы в растениях имеют очень широкое распространение. Клеточная оболочка состоит из нескольких У.

Для отделения клеточных оболочек исследуемое растение тщательно измельчается. Полученное вещество обезжиривается сначала эфиром и затем кипящим алкоголем. Затем вещество обрабатывается разбавленной щелочью для удаления белков и растворимых в воде тел. Далее следует кипячение с водой для превращения крахмала в клейстер, который осахаривается солодовой вытяжкой. Отфильтрованное вещество снова подвергается действию слабой щелочи, тщательно промывается водой, отжимается, обрабатывается спиртом, эфиром и высушивается над серной кислотой. Полученное вещество служит исходным материалом для получения У., находящихся в клеточной оболочке. После кипячения с разбавленной 2…4% серной или соляной кислотой переходят в раствор бывшие в оболочках гемицеллюлозы. Они принадлежат к группе полисахаридов и при гидролизе дают различные монозы (глюкозы): ксилозу, арабинозу, галактозу, маннозу. Гемицеллюлозы получают названия в зависимости от полученных из них моноз: ксилан, арабан, галактан, маннан. Для получения из гемицеллюлоз соответствующих моноз, отфильтрованный от клеточных оболочек раствор гемицеллюлоз, в кислоте кипятят еще два часа с обратным холодильником. Затем кислую жидкость сливают в фарфоровые чашки и удаляют серную кислоту гидратом бария. Отфильтрованная светлая жидкость выпаривается на водяной бане при температуре не выше 80°. Полученный сироп обливается 95° спиртом, чашку покрывают стеклом и кипятят на водяной бане. Монозы переходят в раствор, который очищается животным углем и выпаривается над серной кислотой. Через некоторое время выкристаллизовываются монозы. Клеточные оболочки различных растений дают различные гемицеллюлозы. Для получения ксилозы удобнее всего брать кукурузные отруби, для арабинозы - ржаные и пшеничные отруби, a лактоза получается из семян лупинов, манноза из семян Phytelephas macrocarpa. В клеточных оболочках по удалении гемицеллюлоз остается целлюлоза, или клетчатка, с инкрустирующими веществами. Инкрустирующие вещества удаляются различными способами: кипячением в азотной кислоте с бертолетовой солью, действием смеси азотной и серной кислоты и т.д. Инкрустирующие вещества распадаются и переходят в раствор, целлюлоза же остается нерастворенной. Целлюлоза при гидролизе дает всегда глюкозу. Иногда при гидролизе целлюлозы, кроме d-глюкозы, получается еще манноза и ксилоза. Хлопчатая бумага состоит из клетчатки, дающей при гидролизе только глюкозу. Кофейные семена дают клетчатку, из которой при гидролизе, кроме d-глюкозы, получается еще и манноза. Наконец, клетчатка буковых опилок дает, кроме глюкозы, еще ксилозу. В клеточных оболочках некоторых грибов, кроме У., находится еще особое вещество, тождественное с хитином и названное микозином. Это вещество, так же как и хитин, при действии кислот дает глюкозамин и уксусную кислоту. Иногда клеточные оболочки состоят из особого вещества амилоида. Раствор йода в йодистом калии окрашивает амилоид в синий цвет, а клетчатку -- в коричневый. Амилоид находится в семенах Paeonia officinalis, Tropaeolum majus, Impatiens balsamina и некоторых других. Для количественных определений клетчатки (нечистой) пользуются способом Геннеберга и Штомана. Способ не совсем точный, но достаточный для практических целей. Измельченные растения кипятят сначала с разбавленной серной кислотой и затем с разбавленной щелочью, остаток тщательно промывается, высушивается и взвешивается. В отдельных порциях определяется количество золы и белковых веществ, и полученные числа вычитаются из общей суммы найденного вещества. После У., находящихся в клеточных оболочках, как по распространению, так и практическому значению наибольшего внимания заслуживает крахмал. Он отлагается в растениях в виде особых крахмальных зерен разнообразной формы и величины. Для обнаруживания крахмальных зерен под микроскопом пользуются раствором йода, окрашивающим крахмальные зерна в синий цвет. Для количественного определения крахмала в растениях последние измельчаются, обезжириваются и нагреваются в воде для превращения крахмала в клейстер. В охлажденную до 65° жидкость прибавляется солодовый экстракт. Когда весь крахмал будет разрушен диастазом, жидкость отфильтровывается и к фильтрату прибавляется соляная кислота. После трехчасового нагревания подкисленного фильтрата на водяной бане в нем определяется фелинговой жидкостью количество глюкозы. Если в исследуемом растении были растворимые У., то их количество вычитают из найденного количества глюкозы и полученную разность перечисляют на крахмал. Крахмал встречается почти во всех частях растений. В зеленых листьях он является как первый видимый продукт усвоения атмосферной углекислоты. Только ничтожное число растений не содержит крахмала в листьях. Таковы Allium Сера, Allium fistulosum, Orchis militaris, Lactuca sativa и нек. друг. Большинство семян содержит в себе крахмал. Находится в клубнях, луковицах, в коре и т. д. В некоторых растениях запасный материал отлагается не в виде крахмала, а в виде инулина. Инулин находится в корнях Inula Helenium, Dahlia, Cichorium intybus, Helianthus tuberosus, Taraxacuip officinale, в клубнях Stachys tuberifera и друг. Он находится в виде раствора в клеточном соке и осаждается при действии спирта. Широко распространенный в животном царстве гликоген в растениях редко встречается: в различных грибах. В растениях широко распространены также глюкоза и фруктоза. Сравнительно в недавнее время доказано также широкое распространение сахарозы (тростникового сахара): находится в листьях и образуется также во время прорастания. Кроме перечисленных, встречаются еще различные У., но одни из них имеют ограниченное распространение, другие мало изучены. Раффиноза в сменах хлопчатника и зародышах пшеницы. Стахиоза в клубнях Stachys tuberifera. Лупеоза в сменах бобовых. Левозин в семенах злаков. Секалоза в стеблях незрелой ржи. Трегалоза в различных грибах. Цератиноза в вишневом клее. Крокоза в шафране. Дамбоза в некоторых сортах каучука. Сорбин получается при брожении ягод рябины. Мелицитоза в бриансонской манне. Молочный сахар в плодах Achras sapota.

4. Особенности фотосинтеза растений

Зеленые растения -- биологи называют их автотрофами -- основа жизни на планете. С растений начинаются практически все пищевые цепи. Они превращают энергию, падающую на них в форме солнечного света, в энергию, запасенную в углеводах, из которых важнее всего шестиуглеродный сахар глюкоза. Этот процесс преобразования энергии называется фотосинтезомФотосинтез -- это процесс, при котором энергия солнечного света превращается в химическую энергию. В самом общем виде это можно представить следующим образом: квант света (hv) поглощается хлорофиллом, молекула которого переходит в возбужденное состояние, при этом электрон переходит на более высокий энергетический уровень. В клетках зеленых растений в процессе эволюции выработался механизм, при котором энергия электрона, возвращающегося на основной энергетический уровень, превращается в химическую энергию. Только с помощью зеленых растений энергия Солнца может накапливаться в виде энергии химических связей. Большая часть энергии, используемой человеком на заводах и фабриках, т.е. энергия, благодаря которой происходит движение различных механизмов, машин и самолетов,-- это все энергия Солнца, преобразованная в зеленом листе. Запасание энергии в результате фотосинтеза происходит на различные промежутки времени: от минут, часов до сотен миллионов лет (достаточно вспомнить образование торфа и каменного угля в результате разложения растений).

В процессе фотосинтеза из простых неорганических соединений (С02, Н20) строятся различные органические вещества. В результате происходит перестройка химических связей: вместо связей С--О и Н--О возникают связи С--С и С--Н, в которых электроны занимают более высокий энергетический уровень. Таким образом, богатые энергией органические вещества, которыми питаются и за счет которых получают энергию (в процессе дыхания) животные и человек, первоначально создаются в зеленом листе. Можно сказать, что практически вся живая материя на Земле является результатом фотосинтетической деятельности.

Исследования показали также, что почти весь кислород атмосферы фотосинтетического происхождения. Следовательно, процессы дыхания и горения стали возможны только после того, как возник фотосинтез. Все это и позволяет говорить о космическом значении фотосинтеза. Появление свободного кислорода в атмосфере Земли вызвало значительные изменения во всей живой природе. Возникли аэробные организмы, способные усваивать кислород. На поверхности Земли процессы приняли биогеохимический характер, произошло окисление соединений железа, серы, марганца и др. Изменился состав атмосферы: содержание С02 и аммиака снизилось, а кислорода и азота возросло. Возникновение озонового экрана, который задерживает опасную для живых организмов ультрафиолетовую радиацию, также является следствием появления кислорода. Озон (03) образуется из 02 в верхних слоях атмосферы под действием солнечной радиации. В настоящее время существует опасность частичного разрушения озонового экрана вследствие загрязнения атмосферы промышленными и другими отходами. Фотосинтез имеет важнейшее значение и в жизни самого растительного организма, являясь процессом воздушного питания растений. Согласно расчетам А.А. Ничипоровича, в период наиболее активного роста растений суточные приросты сухого вещества достигают 300 и даже 500 кг/га. При этом в течение суток растение усваивает 1--2 кг N, 0,1--0,2 кг Р, 0,8-- 1,7 кг К и до 1000 кг С02. Чтобы лучше представить себе масштабы процесса фотосинтеза, приведем несколько цифр. Согласно данным французского исследователя Дювиньо (1972), ежегодно в процессе фотосинтеза растениями суши образуется 30 млрд. т органического вещества, в том числе на долю лесов приходится 20,4 млрд. т, лугов, степей -- 3 млрд. т, пустынь -- 1,1 млрд. т, культурных полей -- 5,6 млрд. т.

Энергия, накапливаемая в процессе фотосинтеза за один год, приблизительно в 100 раз больше энергии сгорания всего добываемого в мире за этот же период угля. Казалось бы, что при таком колоссальном годовом потреблении углерода весь С02 воздуха должен быть израсходован в течение немногих лет. Однако содержание С02 в атмосфере непрерывно пополняется за счет растворенных в воде карбонатов и бикарбонатов. Кроме того, углекислый газ выделяется из почвы в результате различных микробиологических процессов, связанных с окислением органических веществ (до 25--30 кг С02 на 1 га в сутки) и др. Учитывая значение процесса фотосинтеза, раскрытие его механизма является одной из наиболее важных и интересных задач, стоящих перед физиологией растений.

Датой открытия процесса фотосинтеза можно считать 1771 г. Английский ученый Дж. Пристли обратил внимание на изменение состава воздуха вследствие жизнедеятельности животных. В присутствии зеленых растений воздух вновь становился пригодным как для дыхания, так и для горения. В дальнейшем работами ряда ученых (Я. Ингенгауз, Ж. Сенебье, Т. Соссюр, Ж.Б. Буссенго) было установлено, что зеленые растения из воздуха поглощают С02, из которого при участии воды на свету образуется органическое вещество. Именно этот процесс в 1877 г. немецкий ученый В. Пфеффер назвал фотосинтезом. Большое значение для раскрытия сущности фотосинтеза имел закон сохранения энергии, сформулированный Р. Майером. В 1845 г. Р. Майер выдвинул предположение, что энергия, используемая растениями, -- это энергия Солнца, которую растения в процессе фотосинтеза превращают в химическую энергию. Это положение было развито и экспериментально подтверждено в исследованиях замечательного русского ученого К.А. Тимирязева.

Из всех типов питания углеродом фотосинтез зеленых растений, при котором построение органических соединений идет за счет простых неорганических веществ (С02 и Н20) с использованием энергии солнечного света, занимает совершенно особое место. Общее уравнение фотосинтеза:

6С02 + 12Н20 -> С6Н1206 + 602 + 6Н20.

Фотосинтез может протекать в различных органах растений (стебли, плоды и др.), имеющих зеленую окраску, но основным органом фотосинтеза является лист. Анатомическое строение листа приспособлено к тому, чтобы обеспечить поступление С02 к клеткам, содержащим зеленые пластиды, и достигнуть максимального поглощения энергии света. Листья в большинстве случаев тонкие и обладают максимальной поверхностью на единицу массы. Наличие межклетников облегчает доступ С02 ко всем клеткам. К эпидермису, расположенному на верхней стороне листа, примыкает палисадная паренхима, клетки которой вытянуты перпендикулярно поверхности листа. Палисадная паренхима -- это основная ассимиляционная ткань листа, особенно богатая хлоропластами. Густая сеть жилок в листе не только облегчает снабжение клеток паренхимы водой, но и способствует быстрому оттоку из листа углеводов, образующихся в процессе фотосинтеза.

Для того чтобы процесс фотосинтеза протекал нормально, в клетки к зеленым пластидам должен непрерывно поступать С02. Основным поставщиком С02 служит атмосфера. Количество С02 в атмосфере составляет около 0,03%. В течение дня растения усваивают количество С02, содержащееся в 30--60-метровом слое воздуха. Для образования 1 г сахара необходимо 1,47 г С02, содержащегося в 2500 л воздуха. Это возможно благодаря непрерывному турбулентному движению воздушных масс вокруг листьев, вызываемому ветром и неравномерным нагреванием их солнечными лучами. Углекислый газ, потребляемый при фотосинтезе, возвращается в атмосферу за счет процессов дыхания и гниения. Особенное значение имеет при этом деятельность почвенных микроорганизмов. Определенное количество С02 выделяется при разложении карбонатов, растворенных в морской воде. В результате поглощения листом С02 возникает градиент концентрации этого газа, что и вызывает непрерывную диффузию С02 в направлении фотосинтезирующих органов растения. Диффузия возникает вследствие хаотического теплового движения молекул и представляет спонтанный процесс, приводящий к перемещению вещества от его большей концентрации к меньшей. Согласно закону Фика скорость диффузии прямо пропорциональна разности концентраций и обратно пропорциональна сопротивлению. С02 диффундирует из более дальних слоев атмосферы в близлежащие к листу и далее в межклетные пространства, из межклетников в клетки и далее к хлоропластам. Чем быстрее используется С02 в процессе фотосинтеза, тем больше падает ее парциальное давление в межклетниках и тем быстрее поступает в них С02. Всякое перемешивание среды (воздуха или воды) способствует более быстрой диффузии С02 к листу. В процессе диффузии ток С02 встречает сопротивление. Оно особенно велико при диффузии С02 к листьям водных растений. Исследования показали, что в воде сопротивление диффузионному току С02 примерно в 1000 раз больше, чем в воздухе. Кроме внешнего сопротивления, которое встречает С02 при диффузии до поверхности листа, существует еще внутреннее сопротивление (в самом листе).

Углекислый газ поступает в лист растения через устьица. Некоторое количество С02 поступает непосредственно через кутикулу. В последнем случае диффузия C02 происходит через клетки эпидермиса к хлоропластам клеток паренхимы листа. При прохождении через устьичные щели С02 может диффундировать в виде газа к любой части листа по межклеточным пространствам. Расстояние, которое должны преодолеть молекулы С02 по системе межклетников до клетки, составляет около 1000 мкм. Время прохождения этого расстояния -- 10--16 микросекунд. В этом случае водный диффузионный путь минимальный -- лишь внутри клетки, а следовательно, сопротивление будет меньшим. Несмотря на то, что при полностью открытых устьицах площадь устьичных щелей составляет всего 1/100 поверхности листа, диффузия С02 внутрь листа идет через них сравнительно быстро. Опытным путем установлено, что свободная поверхность щелочи площадью 1 см2 поглощает за 1 ч 0,12--0,15 см3 С02. 1 см2 поверхности листа поглощает всего в два раза меньше -- 0,07 см3 С02, в то же время его открытая площадь меньше в 100 раз. Такая высокая скорость связана с тем, что диффузия газов через мелкие отверстия идет пропорционально не их площади, а диаметру. Естественно, что это положение правильно лишь при условии, что устьица открыты. При закрытых устьицах диффузия С02 в лист резко сокращается. При ветре внешнее сопротивление падает. Основное значение приобретает сопротивление при диффузии через устьица, поэтому их закрытие оказывает еще большее относительное влияние и еще сильнее снижает диффузию С02.

Закрытие устьиц сильнее уменьшает потерю паров воды из листа (транспирацию) по сравнению с диффузией С02 внутрь листа. Это связано с тем, что скорость диффузии паров воды в первую очередь зависит от размера устьичных щелей, тогда как для диффузии С02 большее значение имеет интенсивность его использования в процессе фотосинтеза. Это представляет значительное приспособление для выживания растений в неблагоприятных условиях существования, например при засухе. Так, уменьшение диаметра устьиц с 10 до 3 мкм уменьшает транспирацию на 38 %, тогда как поглощение С02 -- всего на 29 %.

Весь процесс фотосинтеза протекает в зеленых пластидах -- хлоропластах. Различают три вида пластид: лейкопласты -- бесцветные, хромопласты -- оранжевые, хлоропласты -- зеленые. В лейкопластах синтезируется и отлагается в запас крахмал, в хромопластах накапливаются каротиноиды, в хлоропластах сосредоточен зеленый пигмент хлорофилл и происходит фотосинтез. Незеленые организмы, например грибы, лишены пластид. Эти растения не обладают способностью к фотосинтезу. В процессе эволюции дифференциация пластид произошла очень рано. Правда, у фотосинтезирующих бактерий пластид еще нет, их роль выполняют внутрицитоплазматические мембраны (пурпурные бактерии) или особые структуры -- хлоросомы, локализованные на мембранах (зеленые бактерии). Это наиболее примитивная организация фотосинтетического аппарата. Однако уже у водорослей имеются специальные образования (хроматофоры), в которых сосредоточены пигменты, они разнообразны по форме (спиральные, ленточные, в виде пластинок или звезд). Высшие растения характеризуются вполне сформировавшимся типом пластид в форме диска или двояковыпуклой линзы. Приняв форму диска, хлоропласты становятся универсальным аппаратом фотосинтеза.

Для того чтобы свет мог оказывать влияние на растительный организм и, в частности, быть использованным в процессе фотосинтеза, необходимо его поглощение фоторецепторами-пигментами. Пигменты -- это окрашенные вещества. Пигменты поглощают свет определенной длины волны. Непоглощенные участки солнечного спектра отражаются, что и обусловливает окраску пигментов. Так, зеленый пигмент хлорофилл поглощает красные и синие лучи, тогда как зеленые лучи в основном отражаются. Видимая часть солнечного спектра включает длины волн от 400 до 700 нм. Вещества, поглощающие весь видимый участок спектра, кажутся черными. Состав пигментов зависит от систематического положения группы организмов. У фотосинтезирующих бактерий и водорослей пигментный состав очень разнообразен (хлорофиллы, бактериохлорофиллы, бактериородопсин, каротиноиды, фикобилины). Их набор и соотношение специфичны для различных групп и во многом зависят от среды обитания организмов. Пигменты фотосинтеза у высших растений значительно менее разнообразны. Пигменты, сконцентрированные в пластидах, можно разделить на три группы: хлорофиллы, каротиноиды, фикобилины.

Важнейшей особенностью процесса фотосинтеза является то, что он протекает с использованием энергии солнечного света. Лучистая энергия -- это энергия электромагнитных колебаний, которая характеризуется определенной длиной волны, частотой колебания и скоростью распространения. Длина волны измеряется в нанометрах, а частота колебаний--в герцах (длина волны -- расстояние между двумя последовательными пиками одного цикла, частота колебаний -- частота появления пиков). Собственно свет, или область электромагнитных колебаний, воспринимаемая человеческим глазом, лежит в пределах длины волн от 400 до 700 нм. Более короткие волны характерны для ультрафиолетовых лучей, а более длинные -- для инфракрасных. Известно, что при пропускании луча света через призму он разлагается на отдельные участки, имеющие различную окраску (спектр). В пределах видимого света в зависимости от длины волны окраска лучей различна. Обладая волновыми характеристиками, свет проявляет и корпускулярные свойства. Лучистая энергия излучается и распространяется в виде отдельных дискретных единиц -- квантов или фотонов. Квант света обладает энергией, которая прямо пропорциональна частоте колебаний и обратно пропорциональна. Энергия квантов разных областей спектра может быть вычислена в электронвольтах или в килоджоулях на моль. 1 моль квантов, или 1 Эйнштейн, соответствует числу квантов, равному 6,023x1023 (число Авогадро).

Фотосинтез -- это сложный многоступенчатый окислительно-восстановительный процесс, в котором происходит восстановление углекислого газа до уровня углеводов и окисление воды до кислорода. Фотосинтез включает как световые, так и темновые реакции. Был проведен ряд экспериментов, доказывающих, что в процессе фотосинтеза происходят не только реакции, идущие с использованием энергии света, но и темновые, не требующие непосредственного участия энергии света. Можно привести следующие доказательства существования темновых реакций в процессе фотосинтеза:

1) фотосинтез ускоряется с повышением температуры. Отсюда прямо следует, что какие-то этапы этого процесса непосредственно не связаны с использованием энергии света. Особенно резко зависимость фотосинтеза от температуры проявляется при высоких интенсивностях света. По-видимому, в этом случае скорость фотосинтеза лимитируется именно темновыми реакциями;

2) эффективность использования энергии света в процессе фотосинтеза оказалась выше при прерывистом освещении. При этом для более эффективного использования энергии света длительность темновых промежутков должна значительно превышать длительность световых.

В 1932 г. Эмерсону удалось непосредственно измерить продолжительность световых и темновых реакций фотосинтеза. Оказалось, что скорость световой реакции составляет 10-5 с и не зависит от температуры, тогда как скорость темновой значительно меньше и в зависимости от температуры изменяется от 4х10-1 до 4х10-2 с. Процесс фотосинтеза включает следующие этапы:

1) фотофизический;

2) фотохимический (световой);

3) ферментативный (темновой).

Происхождение кислорода при фотосинтезе.

Большое значение для раскрытия вопроса о сущности фотохимических реакций имело изучение особенностей бактериального фотосинтеза. Впервые на способность бактерий, содержащих пигменты, использовать энергию света для фотосинтеза указал Т. Энгельман (1883). Дальнейшие исследования показали, что окрашенные бактерии содержат пигменты, относящиеся к группе хлорофиллов, а именно бактериохлорофиллы, и синтезируют органическое вещество из неорганических соединений при участии энергии света. Однако этот процесс не сопровождается выделением кислорода. Это связано с тем, что в качестве источника протонов и электронов бактерии используют не воду, а сероводород или другие соединения. Такой тип ассимиляции С02 получил название бактериального фотосинтеза. Использование воды в качестве источника водорода дало зеленым растениям в процессе эволюции огромное преимущество в силу повсеместного ее присутствия. Высказанное предположение получило экспериментальное подтверждение в работах академика А.П. Виноградова (1941). Он провел анализ изотопного состава (соотношения 160, 170, 180) кислорода разного происхождения. Оказалось, что кислород, выделенный из воды, воздуха и образующийся при фотосинтезе, имеет одинаковое соотношение изотопов, тогда как кислород С02 содержит относительно больше тяжелых изотопов. На основании этих исследований было сделано два вывода:

1) в процессе фотосинтеза разлагается вода;

2) в процессе фотосинтеза выделяется кислород, который является основным источником кислорода воздуха.

Поскольку весь кислород фотосинтеза выделяется из воды, общее уравнение фотосинтеза принимает следующий вид:

6С02 + 12Н20 + hv -> С6Н1206 + 602 + 6Н20.

Вода в правой части уравнения не подлежит сокращению, поскольку ее кислород имеет иной изотопный состав (из С02). Рассмотрение этого уравнения показывает, что фотосинтез -- это окислительно-восстановительный процесс, в котором вода окисляется до 02, а углекислый газ восстанавливается до углеводов. Термины «окисление» и «восстановление» являются крайне важными для понимания фотосинтеза. В этой связи необходимо отметить, что окисление -- это не только присоединение кислорода, но и отнятие протонов, и потеря электрона, тогда как восстановление -- это отнятие кислорода и присоединение протонов или электронов.

В 1937 г. Р. Хилл показал, что изолированные хлоропласты на свету в присутствии какого-либо легко восстанавливающегося вещества (акцептора водорода) окисляют воду. При этом выделяется кислород. В качестве акцептора водорода в опытах Хилла был использован хинон. При этом выделение кислорода хлоропластами на свету протекает в отсутствие углекислого газа (реакция Хилла):

2Н20 + hv -> 4Н+ + 4е- + 02;

хинон + 4Н+ + 4е- -> гидрохинон.

Дальнейшие исследования показали, что те же самые ингибиторы, которые тормозят реакцию Хилла, приостанавливают и выделение кислорода в процессе фотосинтеза. Это дало основание считать, что световая фаза фотосинтеза включает разложение воды. Эти опыты также позволили установить возможность разделения двух процессов:

1) выделение кислорода;

2) восстановление С02.

Таким образом, в процессе фотосинтеза происходит разложение воды, на что затрачивается энергия света. В 1950 г. было показано, что вместо искусственных акцепторов водорода, примененных Хиллом, можно использовать естественный кофермент никотинамидадениндинуклеотидфосфат -- НАДФ. Изолированные хлоропласты на свету восстанавливают НАДФ, одновременно выделяется кислород.

Темновая фаза фотосинтеза -- это совокупность биохимических реакций, в результате которых происходит усвоение растениями углекислого газа атмосферы (С02) и образование углеводов. Ферменты, катализирующие темновые реакции растворены в строме. Если оболочки хлоропласта разрушить, то эти ферменты из стромы вымываются, в результате чего хлоропласты теряют способность усваивать С02. Сущность темновых реакций процесса фотосинтеза была раскрыта благодаря исследованиям американского ученого Мелвина Кальвина. За эту работу в 1961 г. Кальвину с сотрудниками была присуждена Нобелевская премия. При этом успех экспериментов определялся широким применением новых методов исследования.

С3-путь фотосинтеза (цикл Кальвина).

Первый метод, использованный Кальвином,-- метод радиоактивного углерода. Радиоактивные изотопы по химическим свойствам практически не отличаются от стабильных. Принимая участие в реакциях, они как бы помечают те соединения, в которые входят. Скорость распада радиоактивных изотопов пропорциональна их количеству. Излучение, испускаемое ими в процессе разложения, может быть легко измерено. Все это создает возможность использования метода радиоактивных изотопов при изучении химизма фотосинтеза.

Второй метод -- хроматография на бумаге. Если вещества, разогнанные на хроматограмме, содержат радиоактивные атомы, то их легко обнаружить с помощью радиоавтографии. Применяя указанные методы и короткие световые экспозиции можно определить, какие вещества и в какой последовательности образуются из 14С02. В качестве объекта исследований была взята зеленая водоросль хлорелла. После кратковременных экспозиций на свету в присутствии 14СО, растения фиксировались горячим спиртом. Спиртовой экстракт концентрировался, разделялся хроматографически и анализировался. Опыты показали, что через 5 с пребывания в атмосфере 14С02 на свету большая часть радиоактивного углерода сосредоточивается в трехуглеродном соединении -- 3-фосфоглицериновой кислоте (3-ФГК). Кальвин выдвинул предположение, что в хлоропластах имеется какое-то вещество-акцептор, которое, взаимодействуя с С02, образует фосфоглицериновую кислоту (акцептор + С02 --> ФГК). Для того чтобы установить природу акцептора, была проведена серия опытов с изменяющимися внешними условиями (смена света и темноты в присутствии и в отсутствие 14С02). Оказалось, что после выключения света содержание ФГК некоторое время продолжает расти. Одновременно наблюдалось быстрое исчезновение пятиуглеродного соединения -- рибулезо-1,5-бифосфата (РБФ). Через 30 с РБФ не обнаруживался, а количество ФГК не изменялось. Вместе с тем на свету РБФ не исчезал, и его содержание оставалось постоянным. Иная картина наблюдалась в отсутствие С02. В этом случае ни в темноте, ни на свету содержание РБФ не изменялось. Из полученных данных следовало, что в присутствии углекислого газа РБФ в темноте используется для образования ФГК. Дальнейшие превращения ФГК требуют света. В силу этого Кальвин выдвинул следующую предварительную схему процесса фотосинтеза:

.

Согласно этой схеме РБФ является акцептором, который присоединяет С02, в результате чего образуется ФГК. Однако в отсутствие света РБФ быстро оказывается использованным и исчезает. При этом накапливается известное количество ФГК. Именно это и наблюдалось в эксперименте. На свету при участии продуктов световой фазы происходит восстановление ФГК до фосфоглицеринового альдегида (ФГА). Судьба образовавшихся молекул ФГА различна. Частично путем ряда превращений ФГА используется на регенерацию акцептора (РБФ). Для процесса регенерации РБФ также необходима АТФ, образовавшаяся в световой фазе. В силу этого количество РБФ на свету поддерживается на постоянном уровне. В каждом цикле принимают участие три молекулы акцептора (РБФ) и образуется 6 молекул триозы (ФГА). Пять молекул ФГА идет на регенерацию акцептора через ряд промежуточных продуктов. Каждая шестая молекула ФГА выходит из цикла и используется для построения углеводов и других метаболитов. Рассмотрим этот цикл более подробно.

Цикл Кальвина можно разделить на фазы.

Первая фаза -- карбоксилирование. Эта реакция катализируется специфическим для процесса фотосинтеза ферментом рибулозобисфосфат-карбоксилазой/ оксигеназой (сокращенно РБФ-карбоксилаза/оксигеназа), в научной литературе последних лет чаще встречается под названием Rubisco, от ribulosobiphosphatecarboxylase/oxygenase. Впервые Rubisco был выделен и очищен в 1955 году. Особенностью фермента является то, что катализируемая им реакция является самой медленной стадией в цикле фиксации углекислоты. В листьях Rubisco содержится в больших количествах и является основной фракцией белка хлоропластов. Более того, высказывается мнение, что это самый распространенный белок-фермент на земном шаре. В активное состояние фермент переходит при освещении хлоропластов. Уже отмечалось, что формирование этого фермента происходит под контролем двух геномов: большие субъединицы (54 кДа) кодируются в ядре, синтезируются в цитоплазме; малые -- кодируются и синтезируются в хлоропласте. При взаимодействии РБФ с С02 образуется сначала промежуточное нестойкое шестиуглеродное соединение, которое затем распадается на две молекулы ФГК. Образовавшаяся ФГК -- это органическая кислота, и ее энергетический уровень ниже уровня Сахаров. Поэтому это соединение не может непосредственно превращаться в углеводы. Необходимо превращение его в трехуглеродный сахар -- фосфоглицериновый альдегид (ФГА).

Вторая фаза -- восстановление. Дальнейшие превращения ФГК требуют участия продуктов световой фазы фотосинтеза: АТФ и НАДФН + Н+. Реакция идет в два этапа. Прежде всего, происходит реакция фосфорилирования 3-ФГК. Донором фосфатной группы является АТФ. АТФ требуется здесь в качестве дополнительного источника энергии. Образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота. Реакция катализируется ферментом фосфоглицерокиназой:

.

Образовавшееся в этой реакции соединение -- дифосфоглицериновая кислота -- обладает более высокой реакционной способностью, содержит макроэргическую связь, полученную от АТФ. Затем карбоксильная группировка этого соединения восстанавливается до альдегидной с помощью триозофосфатдегидрогеназы, коферментом которой служит НАДФ.

Образовавшийся ФГА является по уровню восстановленным углеводом. Это соединение вступает в две последние фазы. Пять молекул ФГА используется на регенерацию акцептора РБФ для того, чтобы фиксация С02 могла снова осуществляться. Оставшаяся шестая молекула вступает в фазу «синтеза продуктов», где превращается в более сложные соединения (углеводы, аминокислоты и др.).

Третья фаза -- регенерация. В процессе регенерации акцептора используется пять молекул ФГА, в результате чего образуются три молекулы рибулезо-5-фос-фата. Этот процесс идет через образование 4-, 5-, 6-, 7-углеродных соединений. Прежде всего, первая молекула ФГА изомеризуется до фосфодиоксиацетона. Процесс катализируется ферментом триозофосфатизомеразой. От ФДФ отщепляется фосфат, и ФДФ превращается во фруктозо-6-фосфат (ф-6-Ф). Далее от Ф-6-Ф (С6) отщепляется 2-углеродный фрагмент (--СО--СН2ОН), который переносится на следующую (третью) триозу. Это транскетолазная реакция идет при участии фермента транскетолазы. В результате образуется первая пентоза (С5)-рибулезофосфат. От Ф-6-Ф остается 4-углеродный сахар эритрозофосфат фосфорилирование. Для этого используются три молекулы АТФ, образовавшиеся в результате световых реакций. Все реакции, входящие в цикл Образовавшийся триозофосфат (ФГА) вступает в четвертую стадию темновых реакций -- стадию образования продуктов фотосинтеза. (С4), который конденсируется с четвертой триозой с образованием седогептулезодифосфата (С7). После отщепления фосфата седогептулезодифосфат превращается в седогептулезофосфат. Далее снова происходит транскетолазная реакция, в результате которой от седогептулезофосфата отщепляется 2-углеродный фрагмент, который переносится на пятую триозу. Образуются еще две молекулы рибулезофосфата. Таким образом, в результате рассмотренных реакций получаются 3 молекулы рибулезофосфата. При прохождении двух циклов из 12 молекул образовавшегося ФГА две молекулы выходят из них, образуя одну молекулу фруктозодифосфата (ФДФ). Из двух молекул фруктозодифосфата (Ф-1, 6-диФ) образуются фруктозо-6-фосфат (ф-6-Ф) и глюкозо-1-фосфат (Г-1-Ф). Глюкозо-1-фосфат, взаимодействуя с уридинтрифосфатом (УТФ), дает уридиндифосфоглюкозу (УДФГ). В свою очередь УДФГ, реагируя с Ф-6-Ф, дает сахарозофосфат. По-видимому, именно сахароза является первым свободным сахаром, образующимся в процессе фотосинтеза. Из сахарозы образуются нефосфорилированные моносахара (глюкоза и фруктоза). Крахмал образуется из аденозиндифосфоглюкозы (АДФГ) или уридиндифосфоглюкозы (УДФГ), процесс катализируется ферментом амилосинтетазой. Среди первых продуктов фотосинтеза обнаружены аминокислоты. По-видимому, ФГК, образовавшаяся на первом этапе цикла Кальвина, может превращаться в пировиноградную кислоту. Этот процесс идет особенно интенсивно при недостатке НАДФН, из-за чего задерживается преобразование ФГК в ФГА (обычный путь в цикле Кальвина). Пировиноградная кислота в присутствии NH3 дает аминокислоту аланин. Показано, что скорость включения 14С02 в аланин в клетках хлореллы при некоторых условиях может даже превышать скорость ее включения в сахарозу. Из пировиноградной кислоты может образоваться еще ряд органических кислот (в цикле Кребса).