Биотехнологии и энергетика фотосинтеза

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биотехнологии и энергетика фотосинтеза

Г.А. Кораблев,

И.Г. Поспелова

Биомасса - пятый по производительности возобновимый источник энергии после прямой солнечной, ветровой, гидро и геотермальной энергии. Ежегодно на земле образуется около 170 млрд т. первичной биологической массы и приблизительно тот же объём разрушается. Биомасса -- крупнейший по использованию в мировом хозяйстве возобновляемый ресурс (более 500 млн т.у.т./год). Биомасса применяется для производства тепла, электроэнергии, биотоплива, биогаза (метана, водорода). Биомасса делает запас энергии с помощью очень сложного процесса - фотосинтеза [1, 2].

Это - единственный процесс природы, посредством которого органический мир получает запас свободной энергии и обеспечивает химической энергией все биоорганизмы [3].

Обычно выделяются как основные этапы фотосинтеза: фотофизический, фотохимический, химический.

В данной работе рассматриваются энергетические критерии фотосинтеза на основе представлений о пространственно-энергетическом параметре (Р-параметре) [4].

На первом этапе фотосинтеза в системе ФС-2 под действием излучения с энергией h в структурированных молекулах воды могут измениться размерные характеристики атомов водорода от боровского радиуса (0,529 Е) до - атомного («металлического») - 0,46 Е, что соответствует получению водородом Р_Э-параметра, равного 10,432 эВ, близкого к значению Р_Э-параметра 2Mg. Отметим так же, что общее изменение в шкале потенциалов фотосинтеза ФС-2 примерно равно 1,5 эВ, а разность данных Р-параметров атомов водорода равна 1,37 эВ.

Остальные атомы водорода с «боровским» Р_Э-параметром, равным 9,0624 эВ, имеют близкие значения с Р_Э-параметрами 2Р¹-орбиталей атомов азота, окружающих магний.

Этот начальный процесс завершается участием в нем марганцесодержащей системы, связанной с белками реакционного центра ФС-2. В марганцевом кластере (двухядерном или четырехядерном) под действием излучения может происходить структурная перестройка [5] от одновалентного состояния (4,9369 эВ - это близко к исходным значениям Р_Э-параметра Mg) к двухвалентному (9,9414 эВ) и далее - к четырехвалентному состоянию (17,518 эВ) [3].

Все это обеспечивает ферментативное воздействие Mn на связь Н-О-Н как на атомы водорода и кислорода, так и на гидроксильную группу в целом. Это подтверждается в частности примерным равенством Р_Э-параметров двух- и четырехвалентного Mn с Р_Э-параметрами 2Р¹ и 2Р²-орбиталей атомов кислорода. Таким образом, индуцированные светом все перечисленные выше взаимодействия и структурные перегруппировки приводят к образованию окисленного хлорофилла по реакции [6] с выделением двух электронов и двух протонов:

Н₂О+2h>О₂+2е^-+2Н⁺ (1)

Другими словами, на первом этапе происходит поглощение квантов света пигментами, их переход в возбуждённое состояние и передача энергии к другим молекулам фотосистемы.

На втором этапе происходит разделение зарядов в реакционном центре, перенос электронов по фотосинтетической электронотранспортной цепи, что заканчивается синтезом АТФ и НАДФН.

Энергия излучения h в ФС-1 способствует, по-видимому, изменению размерных характеристик атомов фосфора и кислорода от ковалентных до анионных. Поэтому происходит распространение Р₀-параметров свободных атомов фосфора и кислорода на расстоянии их анионных радиусов 1,86 Е и 1,40 Е соответственно. Это дает близость значений их Р_Э-параметров: б=5,19 % для 2Р³-орбитали фосфора с 2Р²-орбиталями кислорода.

Для расчета энергий связи или энергий восстановления молекул при фотосинтезе (Е) была использована методика, ранее апробированная [7] на 68 бинарных и более сложных соединениях по уравнению:

(2)

где N - средняя кратность связи, К - коэффициент гибридизации, который обычно равен числу учитываемых валентных электронов атома.

В качестве размерной характеристики атомов может использоваться или половина межъядерного расстояния (для бинарной связи) одноименных атомов, или - атомный, ковалентный и ионный радиусы (в зависимости от типа связи).

Для атомов Р и О были проведены расчеты с учетом анионных расстояний атомных орбиталей: 3Р¹ (фосфор)-2Р¹ (кислород) и для 3Р³ (фосфор)-2Р² (кислород). Полученные значения Е оказались немного выше экспериментальных, литературных данных. Но реальные энергетические физиологические процессы при фотосинтезе имеют эффективность ниже теоретической, составляя в некоторых случаях около 83 % [6].

Первые два этапа вместе называют светозависимой стадией фотосинтеза. Третий этап происходит уже без обязательного участия света и включает в себя биохимические реакции синтеза органических веществ с использованием энергии, накопленной на светозависимой стадии. Чаще всего в качестве таких реакций рассматривается цикл Кальвина и глюкогенез, образование сахаров и крахмала из углекислого газа воздуха.

Связывание СО₂ происходит в водной среде по реакции карбоксилирования рибулозодифосфата (РуБФ) с образованием 3-фосфоглицериновой кислоты (ФГК). Молекула воды и радикал С=О на расстояниях молекулярного взаимодействия имеют достаточно близкие значения Р_Э-параметров для образования общей структурной группировки типа димерного композита. Суммарный Р_Э-параметр молекулы воды и радикала С=О почти равен Р_Э-параметру СО₂ и поэтому происходит присоединение молекул СО₂ и Н₂О к РуБФ с образованием двух радикалов СООН в ФГК. В ферменте РуБФ-карбоксилаза активную роль выполняют атомы Mg и ионы О^- (5,4867 эВ и 4,755 эВ), Р_Э-параметры которых близки к Р_Э-параметру радикала СООН. фотосинтез биоорганизм энергия химический

Большая разница в числе атомов взаимодействующих структур говорит за то, что карбоксилаза может выполнять только ферментативную роль, «настроенную» на получение данного конечного продукта (СООН).

Дальнейший сложный путь ассимиляции СО₂ до образования СН₂О идет через ряд промежуточных соединений и реакций (цикл Кальвина). Покажем некоторые результаты расчетов суммарных пространственно-энергетических процессов ассимиляции СО₂. При восстановлении углерода от СО₂ до уровня структурного образования его в СН₂О происходит перестройка химических связей на всех этапах цикла. Поэтому необходима дополнительная энергия активации от АТФ и НАДФН.

Основная часть энергии света запасается растением на этапе восстановления до ФГА. При этом затрагивается 4,56 эВ (на молекулу) - [3]. Наши расчеты дают значение энергии восстановления радикала СОН, равное 4,487 эВ. Свободная энергия образования одного моля СН₂О по литературным данным [8, 9] составляет 4,96-5,07 эВ. Расчет по методу Р-параметра оценивает эту энергию, равную 5,025 эВ.

В молекуле средняя кратность связи атома углерода бралась равной (2+1+1)/3=1,33.

Применяя апробированный подход к расчету результирующей энергии связи (или энергии восстановления) структурных подсистем каждого этапа были рассчитаны величины их энергий- Е_С. Известно [8], что движущая энергия цикла до ФГА может составлять 1,06 эВ за счет трех молекул АТФ (на одну молекулу СО₂), причем одна молекула АТФ расходуется в цикле до ФГК.

По данным [3, 10] движущая энергия цикла (Е_С) равна разности величин Е_С для соответствующих этапов:

1) этап СО₂ - ФГК: Е_С=1,770-1,401=0,369 эВ

Энергия фосфорилирования одной молекулы АТФ = 0,34-0,35 эВ

2)этап СО₂ - ФГА: Е_С=2,367-1,401=0,966 эВ

Энергия фосфорилирования трех молекул АТФ: 0,34х3=1,02 эВ.

Таким образом, метод Р-параметра дает удовлетворительную характеристику энергетики основных этапов цикла ассимиляции СО₂.

В данном подходе на основе использования первичных атомных характеристик дается количественная и полуколичественная оценка пространственно-энергетических взаимодействий на главных этапах сложнейшего биофизикохимического процесса фотосинтеза. Анализ результатов применения методологии Р-параметра показывает, что они соответствуют литературным данным и по направлению и по энергетике этих процессов.

Литература

1. Касьянов, А.С. Энергетический потенциал соломы как биотоплива / А.С. Касьянов [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2014. - №1. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2014/2225 (доступ свободный) - Загл. С экрана. - Яз. Рус.

2. Шегельман И.Р., Щукин П.О., Морозов М.А. Ресурсные вызовы в области региональной биоэнергетики и пути их преодоления [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона, 2012. - №2.- Режим доступа: http://www.ivdon.ru/ magazine/archive/n2y2012/819 (доступ свободный) - Загл. С экрана. - Яз. Рус.

3. Korablyov, G.A. Energy Criterions of Photosynthesis / G.A. Korablyov, G.E. Zaikov // Progress in Chemistry and Biochemistry, kinetics, Thermodynamics, Synthesis, Properties and Applications: Festschrift in Honor of the 75^th Birthday of Professor Gennady E. Zaikov. - New York, 2009. - Volume 3. - P. 377-392.

4. Korablev G.A. Spatial-Energy Principles of Complex Structures Formation, Netherlands, Brill Academic Publishers and VSP, 2005,426 p. (Monograph).

5. Клейтон Р. Фотосинтез. Физические механизмы и химические модели [Текст] // М.: Мир, 1984. - 350 с.

6. Холл Д., Рао К. Фотосинтез [Текст] // М.: Мир, 1983. - 134 с.

7. Korablev G.A., Zaikov G.E. Energy of chemical bond and spatial-energy principles of hybridization of atom orbitals // Journal of Applied Polymer Science. USA, 2006, V.101, №3, P. 2101-2107.

8. Фотосинтез /Под ред. Говинжи. М.:Мир [Текст] // т.1-1987, 728с; Т.2-1987. - 460 с.

9. Эдвардс Дж., Уокер Д. Фотосинтез С3 и С4-растений: Механизмы и регуляция [Текст] // М.: 1986. - 134 с.

10. Korablyov, G.A. Photosyntesis Structural Interaction / G.A. Korablyov, G.E. Zaikov // Journal of Characterization and Development of Novel Materials Journals. - 2011. - Volume 3, Issue. 3-4. - P. 215-230.

Размещено на Allbest.ru