plantarum (plantarum) wrote,
plantarum
plantarum

Category:

фотосинтез

Задумала написать про одно милое растение. Слово за слово, текст оказался перегружен. А всё из-за фотосинтеза.

А не замахнуться ли нам на Вильяма, понимаете ли, нашего Шекспира ?

Пожалуй, напишу я сначала про фотосинтез, а потом уже про милое растение.

Фотосинтез довольно сложный процесс, даже биологи, и даже ботаники далеко не все находят время и повод в нём разобраться. Если кому интересно - давайте попробуем. Только штука это действительно сложная. Мои знания тут очень схематичны. Так что рассказ мой это по сути набор ключевых слов для активации гуглопоиска и знакомых биохимиков.

У меня дома есть учебник общей биологии, по которому учились лет двадцать советские школьники. В 1970-е - 80-е годы. Наше образование (TM), как известно, было самым лучшим в мире и всё такое.

Помните?



В этом учебнике говорится, что растения умеют "преобразовывать световую энергию в энергию химических связей", и что в ходе фотосинтеза "вещества, бедные энергией (CO2 и H2O), переходят в углевод - сложное богатое энергией органическое вещество".

Рассказав на удивление доходчиво, просто и достаточно подробно о том, что происходит в растении на свету, школьный учебник моего детства практически умолкает. Ученику сообщается, что дальше имеет место "ряд последовательных ферментативных реакций", что в них принимают участие "синтезированные в световую фазу НАДФH2 и АТФ , и что "Центральное место среди реакций темновой фазы занимает реакция связывания углекислоты: СО2 диффундирует в лист из атмосферы и включается в состав одного из промежуточных соединений. В конечном итоге образуются углеводы..."

Это были цитаты из учебника Общей Биологии под редакцией Ю.И.Полянского. Очень уважаемого учебника, по которому в 70-е и 80-е годы учились советские школьники.

Ещё раз повторю, это был прекрасный учебник на фоне того убожества, которое представляли собой учебники по биологии в средней школе. Знаю, что к этим учебникам многие лояльны. Мне же кажется, что советская школьная программа привела к тому, что биология - сложнейшая наука, знание которой дают нам возможность понимать мир живой природы, в котором нам посчастливилось появиться, знание которой помогают не просто не голодать, а полноценно питаться и достаточно успешно лечиться, наука, удивляющая и восхищающая образованных людей весь XX век - эта наука в большинстве школ стояла в ряду предметов где-то между пением-черчением и историей. Родители ругали чад за двойки по математике и русскому, просили не запускать физику и химию, а биология... Тройка по биологии? Что эта училка о себе думает? Своей фигнёй про горох и обезьян портит аттестат нашему мальчику.

Вернемся к фотосинтезу. О чем молчал мой школьный учебник по биологии.
Он ничего не рассказал про RuBisCo.

Rubisco! Как это звучит!
Словно название итальянской оперы.
"Дон Rubisco".



Во всех театрах планеты.
В каждом зелёном листе.

Самый распространенный фермент на нашей планете - это RuBisCo.

Мы к нему вернёмся. Но сначала вспомним слово хлоропласт.

Здесь будут картинки и видео. Они все будут на английском. Честно пыталась искать в рунете. Не нравится. Уныло и не наглядно.

Давайте лучше смотреть красивые картинки. Вот так выглядит хлоропласт в электронном микроскопе. Это действительно красивая картинка, получить её непросто. Срез прошел ровно, все линии чёткие, чтобы получить такое изображение нужно немало потрудиться.


источник

Чтобы понять, что именно так красиво запечатлено на фотографии, полезно нарисовать схему.Вот тут очень красиво совместили фотографию хлоропласта и рисунок.



источник

Мне понравилась эта схема ещё и потому, что мембраны, которые окружают хлоропласт, здесь не покрашены в зелёный цвет. Их часто рисуют зелёным, и это путает. Зелёным правильней рисовать те мембраны, в которые встроен хлорофилл. В наружных двух мембранах его нет. Он есть во внутренних мембранах. Такие стопочки "блинов". Точнее - мешочки, потому, что внутри у каждого из них - полость. Называются эти мешочки - тилакоиды. Стопки тилакоидов называют гранами. Жидкая среда, заполняющая хлоропласт, носит название стромы. Чего нет на этой схеме, это крахмальных зёрен. Впрочем, они и на срезе хлоропласта не попались. Но вообще то крахмал в хлоропластах - не редкость.

Всё начинается в тилакоидах.

На свету.

Хлоропласт - это такой природный прибор. Он умеет поймать молекулу углекислого газа, отобрать у неё атом углерода и присоединить его к короткой цепочке из углеродов. Мир устроен так, что живые существа состоят из углеродных цепочек - коротких и длинных. Иногда эти цепочки совсем-совсем разваливаются, и получается опять углекислый газ. И вода. В костре этот процесс наглядно происходит. Ещё нагляднее - на конфорке газовой плиты. Вернуть углерод в цепочку - вот задача фотосинтеза.

Для любого созидательного процесса нужна энергия. Нам, чтобы поговорить по мобильнику, нужно сначала зарядить в нём аккумулятор. Потом этот аккумулятор будет разряжаться, обеспечивая при этом энергией нужные нам процессы.

На свету хлоропласт заряжает свой "аккумулятор". Роль аккумулятора выполняют две молекулы. Я буду писать сокращения латинскими буквами потому, что в эти сокращения входят названия веществ, которые мы все привыкли писать латинскими буквами.

Первая необходимая штука - ATP. Часто это сокращение пишут кириллицей - АТФ, но третья буква здесь обозначает фосфор, а его принято писать P, а не Ф, отсюда появляется путаница. А нам и так путаницы предстоит немало. Чтобы получить ATP (аденозинтрифосфат), надо к аденозиндифосфату, ADP, которого в клетке болтается немало, откуда он взялся - не наша забота сейчас, - добавить ещё один фосфор. Который мы не забыли внести по весне в виде суперфосфата в почву.


источник

Вторая необходимая нам штука носит незатейливое название - никотинамидадениндинуклеотидфосфат. Почему-то его принято принято сокращать. Его обозначают NADP, и он тоже имеется в достаточном количестве. Обратите внимание, там тоже присутствует фосфор - NADP. Граждане, не забывайте вносить фосфорные удобрения под ваши растения.


картинка из Википедии

К этому - NADP нужно прицепить атом водорода. Тогда его можно будет записать так: - NADPH.

В этом суть первого действия нашего спектакля. К ADP надо прицепить ещё один фосфор, к NADP - водород. Исходные вещества у нас есть. Нужна энергия, чтобы их соединить. Энергию даёт солнечный свет.

На тилакоидах имеются световые ловушки. Роль антенны играет хлорофилл. Молекула хлорофилла выглядит приблизительно так:


источник

На лопату похоже. Посередине плоского "совка" лопаты сиреневым цветом обозначен магний. Граждане, проверяйте, есть ли магний в ваших удобрениях. Мало магния - страдает фотосинтез.

Ловушки ловят не любые световые волны. Лучше всего им годятся волны длиной 680 нм и 700 нм. Первые попадают в ловушки фотосистемы II, вторые - в ловушки фотосистемы I.

Свет попадает на хлорофилл фотосистемы II (не I, а II! Это чтобы всё посильнее запутать). При этом один электрон уходит со стабильного своего места обитания и временно перескакивает в не очень удобное место.

Если хлорофилл существует сам по себе, в пробирке, электрон благополучно возвратится обратно, вернув в окружающее пространство квант света.

Совсем другие дела делаются в хлоропластах. Хлорофилл там не сам по себе, а в фотосистеме. Система этот электрон быстренько подхватывает и утаскивает, пока хлорофилл возбуждён и ошарашен. Сбагривают электрон ушлому типу по имени пластохинон, а тот перекидывает электрон дальше, пускает в дело. Дело заключается в том, чтобы протащить протон при помощи протонного насоса сквозь мембрану тилакоида.

Опомнился хлорофилл - нет электрона. Без электрона ему плохо. Но он не один - он в фотосистеме. Есть там товарищи, которые без электронов хлорофилл не оставят. Есть в системе шустрый парень - водоокисляющий комплекс. В его составе имеется, между прочим, марганец и кальций. Кальций и марганец очень нужен растению для фотосинтеза - помните об этом. Раз уж зашла речь о марганце: из марганцовки его растению добывать трудно, а вот из сульфата марганца - самое то. И об этом тоже следует помнить, запасаясь удобрениями на весну.

Вот она - фотосистема II, и свет рыжей молнией её освещает, а внизу - водоокисляющий комплекс, с четырьмя марганцами и кальцием наготове. Хвать - и отобрал пару электронов у проплывающей мимо молекулы воды. Хвать - и у другой отобрал. На два кванта света хватит. Пластохинон, кстати, электроны тоже по одному не тягает, он их парами хватает.


источник

Ошалев от такой наглости вода приходит в крайне нестабильное состояние. И тут же разваливается. Ушлый кислород немедленно воссоединяется с ближайшим соседним атомом кислорода, образуя молекулу кислорода. Свежеобразованный кислород бодро улепётывает в окружающее пространство. А оставшиеся сами по себе водороды (они же - протоны) в количестве четырёх штук остаются болтаться внутри тилакоида. А тут ещё и протоны, затащенные насильно при помощи протонного насоса - помните, чуть выше по тексту было дело?

Как результат – избыток протонов внутри тилакоида. Протонам становится тесно. Им хочется из пространства тилакоида удрать. Но через мембрану, на халяву, им не пробраться. Что делать бедным протонам?

Глядь - поблизости дверца имеется. Образована она хлопотливым ферментом - ATP-синтазой. Через канал, предоставленный ATP-синтазой протон может покинуть тилакоидное пространство. Но не просто так. Попутно он обеспечивает энергией процесс присоединения фосфора к ADP, превращая его в ATP.

Тем самым выполняется первая задача световой фазы фотосинтеза - образование ATP.

Но это ещё не всё. Те протоны,которые находятся снаружи, в пространстве хлоропласта (оно называется стромой), при помощи специальных ферментов, аффилированных с другой фотосистемой - фотосистемой I, присоединяются к NADP, образуя требуемый NADPН.


Непосредственно присоединением протона к NADP занимается NADP-редуктаза. Для этого ей необходима энергия. Она получает её от электрона из хлорофилла фотосистемы I, возбужденного светом с длиной волны 700 нм.

Теперь у нас хлорофилл фотосистемы I вроде остался без электрона. Он его получит по конвейеру от фотосистемы II. Там, как мы помним, электроны восполнила разваленная водоокисляющим комплексом вода.

Таким образом выполнена и первая, и вторая часть химических реакций, для которых необходим свет. Электрон из фотосистемы II добрался до фотосистемы I, его место занял электрон из воды, развалившаяся вода дала нам кислород, а протоны поработали на ниве образования энергетических молекул ATP и NADPH.

Очень наглядно они показаны вот в этом небольшом ролике. Там заявлено 4 минуты, но на самом деле он длится только две минуты, а потом наступает стоп-кадр, и дальше можно не смотреть.



Теперь мы запаслись NADPH и энергией и переходим ко второму действию пьесы под названием фотосинтез.
Оно может проходить как на свету, так и в темноте. Но, чтобы всех окончательно запутать, эта стадия традиционно носит название темновой фазы фотосинтеза.

В темноте.

Действие это носит название Цикл Кальвина.

На сцену наконец выходит RuBisCo.
Полное название RuBisCo - рибулозобисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа.

Его клиент - рибулозобифосфат. Молекула, состоящая из пяти атомов углерода, ну и там всё как положено рядом - кислород, водород, фосфор.

Для простоты на схеме показаны только углерод и фосфор. Углерод - серый. Смотреть надо начинать там, где написано Rubisco.


источник

Следуем по схеме - по часовой стрелке. В строме хлоропласта болтается много молекул рибулозобифосфата. Кроме того, в ней растворен углекислый газ. Главное событие на нашей планете, благодаря которому на ней существует всё живое, произойдёт сейчас. Rubisco присоединит к пятиуглеродной цепочке ещё один углерод. И возьмёт он его из углекислого газа. Вы чувствуете торжественность момента?

Понятнее и удобнее наблюдать сразу за тремя Rubisco, и тремя пятиуглеродными цепочками соответственно. Каждая из них образовала шестиуглеродное соединение, которое настолько нестабильно, что даже на схемах не указывается. Оно тут же, немедленно развалилось напополам. Образовав в общем и целом из трех шестиуглеродных цепочек шесть трехуглеродных. Дальше - детали. Используя полученные на свету ATP и NADPH цепочки наводят марафет на свою наружность при помощи фосфора и водорода, и в результате могут отпустить одну из шести восвояси. Уплывёт эта шестая. Может - в глюкозу обратится, встретив другую такую же - свободную, может - к крахмальному зерну присоседится. Главное - углерод у углекислого газа отобран.

Остаются в цикле Кальвина пять молекул по три углерода в каждой. Крибле-крабле-бумс (и бутылка рома три молекулы ATP) - пять по три превратились в три по пять. Имеем обратно три молекулы рибулозобифосфата, готовые при помощи Rubisco присоединить по одному углероду от углекислого газа каждый. И покатился заново цикл Кальвина.

Тут и сказке конец.

Весь сюжет с музыкой, спецэффектами и комментариями на варварском наречии:



Примечания.
1. Ролики могут сразу не загрузиться. Почему-то есть у них такое свойство. Но это временное явление.
2. Кроме света для фотосинтеза, а именно - для цикла Кальвина, важное значение имеет температура. Когда холодно дело двигается медленно. Лучше всего получается при +30 градусах. Потом скорость реакции резко падает вниз.
Tags: как это устроено, фотосинтез
Subscribe

  • новогоднее запоздалое

    Всё же за Новый Год давайте выпьем. Шампанского! Или, может, хорошего красного вина? По рюмочке, чисто символически. Стоп! Аккуратнее!…

  • анчан

    Фотографии так себе. Тапком сфотографировано. Не судите строго. А вот история занятная. Началась она прошлым летом. Обедала я в одном сетевом…

  • списки семян: томаты

    Я провожу ревизию наших семян, это в рамках работы над базой. Вот, можно посмотреть, что у нас сейчас есть по томатам. В списке название сорта…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 28 comments

  • новогоднее запоздалое

    Всё же за Новый Год давайте выпьем. Шампанского! Или, может, хорошего красного вина? По рюмочке, чисто символически. Стоп! Аккуратнее!…

  • анчан

    Фотографии так себе. Тапком сфотографировано. Не судите строго. А вот история занятная. Началась она прошлым летом. Обедала я в одном сетевом…

  • списки семян: томаты

    Я провожу ревизию наших семян, это в рамках работы над базой. Вот, можно посмотреть, что у нас сейчас есть по томатам. В списке название сорта…