Фотолиз воды – это процесс распада молекулы воды в световой фазе фотосинтеза.
Фотолиз воды
Фотосинтез – это процесс синтеза органических веществ из неорганических с использованием энергии солнечного света.
Первые опыты по установлению физиологических основ фотосинтеза проводились Дж. Пристли в 18 веке. Он обратил внимание на порчу воздуха внутри герметичного сосуда с горящей свечой. При этом воздух терял способность поддерживать горение, а животные, помещенные в него, очень быстро задыхались. Такую ситуацию были способны исправить растения. Ученый пришел к выводу о том, что именно они формируют кислород, поддерживающий процесс дыхания и горения.
Также в природе существуют такие организмы, как хемотрофы, которые тоже могут образовывать органическое вещество, но при этом источником энергии для осуществления данного процесса будут выступать химические связи, а не кислород.
Большинство растений являются именно автотрофами, поскольку в их клетках содержаться различные фотосинтетические пигменты.
Химические основы фотолиза воды
Все фотосинтетические пигменты делятся на:
- хлорофилл;
- каротиноиды.
Пигменты поглощают свет и преобразуют его из солнечной энергии в химическую. Пигменты локализованы в мембранах хлоропластов.
Хлорофилл содержится внутри хлоропластов на мембранах тилакоидов. Растение имеет зеленую окраску именно благодаря хлорофиллу. По своему химическому строению хлорофилл достаточно близок к гемоглобину крови. Его основой также является порфириновое кольцо, в центре которого находится магний. Хлорофилл может поглощать энергию солнечного света при этом переходя в возбужденное состояние.
Хлорофилл a представляет собой единственный пигмент, который имеет центральное значение в фотосинтезе.
Процесс фотосинтеза включает в себя две фазы:
- световая фаза, которая происходит на свету на мембранах тилакоидов, составляющих граны;
- темновая фаза, которая может происходить без участия солнечного света в строме хлоропласта, но она всегда регулируется световыми потоками.
Световая фаза фотосинтеза базируется на том, что в хлоропластах содержится большое количество молекул хлорофилла. Но при этом процесс происходит в 1 % молекулы хлорофилла. Другие молекулы образуют антенные светособирающие комплексы. Они поглощают кванты света и передают возбуждение в реакционные центры. Такие центры представлены в фотосистеме I и фотосистеме II. В них имеются особые молекулы хлорофилла: соответственно, в фотосистеме II — P680, а в фотосистеме I — P700. Они поглощают свет именно такой длины волны (680 и 700 нм). Молекулы хлорофилла обеих фотосистем поглощают кванты света. При этом один электрон каждой из фотосистем переходит на более высокий энергетический уровень.
В возбужденном состоянии все электроны обладают очень высокой степенью энергии. Они отрываются и транслируются в особенную сеть переносчиков на мембраны тилакоидов. При этом молекулы НАДФ+, превращая их в восстановленный НАДФ. Этот процесс заключается в преобразовании энергии света в энергию восстановленного переносчика. На месте молекул хлорофилла при этом образуется пространство с положительным зарядом.
Роль фотосистемы I заключается в восполнении потери электронов через систему переносчиков электронов фотосистемы II. Фотосистема II, в свою очередь забирает электрон у воды, запуская ее фотолиз.
Фотолиз воды – это процесс распада молекулы воды, который происходит под действием солнечного света. При этом в атмосферу выделяется большое количество кислорода, который рассеивается в ней.
Протоны водорода, которые образуются при фотолизе воды переносятся в полость тилакоида. Там накапливается достаточно большой избыток ионов водорода, что приводит к созданию на мембране тилакоида крутого градиента концентрации накопленных ионов. Он используется ферментом АТФ-синтетазой для синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Также происходит перенос ионов водорода сквозь мембрану с образованием НАДФ*Н.
Таким образом, энергия света запасается именно в световой фазе в виде восстановленного переносчика НАДФ*Н и макроэргического соединения АТФ. Роль световой фазы фотосинтеза можно выразить в следующих тенденциях:
- обеспечение переноса протонов водорода через систему переносчиков с образованием и запасанием энергии АТФ;
- формирование НАДФ*Н;
- выделение в атмосферу необходимой порции кислорода . Что касается темновой фазы фотосинтеза, то ее обязательными компонентами являются АТФ и НАДФ*Н (из световой фазы), углекислый газ (из атмосферы) и вода. Таким образом, можно сделать вывод о том, что фотолиз воды является реакцией, которая поставляет компоненты для темновой фазы. Эта часть фотосинтеза происходит в строме хлоропласта. Фотолиз воды при этом становится источником кислорода, который достаточно быстро поступает в атмосферу.
Темновая фаза характеризуется участием АТФ и НАДФ, при этом происходит процесс восстановления глюкозы. Для этого процесса не требуется свет, но он участвует в регуляции этапов. Поскольку растение поглощает углекислый газ из атмосферы, то устьица покровной ткани открываются, и он свободно поступает внутрь листа. Кислород растворяется в воде и восстанавливается до глюкозы при участии НАДФ и АТФ.
Если формируется избыток глюкозы, то он откладывается в виде запасного – питательного вещества – крахмала. В виде этого сложного углевода накапливается энергия. Только небольшая часть этих молекул остается в листе и обслуживает его нужды. Остальные углеводы по проводящей ткани растения (ситовидным трубкам) путешествуют по растительному организму.
Таким образом, фотосинтез является основным источников кислорода на земле. Именно реакция фотолиза воды дает возможность образовываться большому количеству кислорода, который обеспечивает жизнедеятельность всех живых организмов. До появления фотосинтетических организмов такого газа на Земле не существовало.
