Зміст 1 Вступ 2 Розділ Значення фотосинтезу 4

Ім'я файлу: реферат на физ рос укорочен (1).rtf
Розширення: rtf
Розмір: 1973кб.
Дата: 01.12.2022
скачати
Пов'язані файли:

ЗМІСТ

ЗМІСТ 1

Вступ 2

Розділ 1. Значення фотосинтезу 4

1.1 Суть та значення фотосинтезу 4

1.2 Загальне рівняння фотосинтезу та походження кисню 8

Розділ 3. Фотосинтетичні пігменти листка 20

3.1 Хлорофіли 20

3.2 Каротиноїди 23

3.3 Фікобіліни 25

Висновки 29

Список літератури 30

Вступ

Нині людство все більше розуміє ту очевидну істину, яку вперше обґрунтували видатні вчені К. А. Тімірязєв і В. І. Вернадський, що екологічне благополуччя біосфери, а отже й існування самої людини та цивілізації в цілому, визначається станом рослинного покриву планети. Значення фотосинтезу в біосферних процесах Землі настільки велике й різноманітне, а його природа настільки унікальна, що проблема фотосинтезу правомірно вважається однією з найважливіших проблем не лише науки, а й практики. Більш як 3,5 млрд. років тому відбувалася подія, якій судилося стати могутньою рушійною силою еволюції органічної матерії — виник фотосинтез. Еволюційний процес випробував різні варіанти енергозабезпечення життя. Перші прокаріоти типу бактерій були ферментуючими гетеротрофами, які добували їжу шляхом розщеплення органічних речовин абіотичного походження. Життя набуло якісно нове, практично невичерпне джерело енергії — Сонце.

Прокаріоти — це ціанобактерії, що дали початок розвитку рослинного царства, знайшли ключ до фотоавтотрофії. Центральне місце в цьому процесі зайняв зелений пігмент — хлорофіл. Один з основоположників фізіології рослин К. А. Тімірязєв, підкреслюючи космічне значення зеленої рослини, образно писав, що зелений листок, а вірніше хлорофіл, є фокусом у світовому просторі, в який, з одного боку, йде енергія Сонця, а з другого — беруть початок усі прояви життя на Землі.

Мета роботи охарактеризувати протікання процесів живлення рослин вуглецем.

Завдання роботи:

розглянути значення та суть процесу фотосинтезу;
дати характеристику листку як органу фотосинтезу;
дати характеристику основних фото синтезуючих пігментів листка;
розглянути енергетичні процеси фотосинтезу.

Розділ 1. Значення фотосинтезу

1.1 Суть та значення фотосинтезу

Фотосинтез — єдиний процес у біосфері, який веде до збільшення вільної енергії біосфери за рахунок зовнішнього джерела — Сонця і забезпечує існування як рослин, так і всіх гетеротрофних організмів, у тому числі й людини.

Зараз важко, а то і зовсім неможливо знайти будь-які природні явища, які не були б пов'язані з фотосинтезом. Таким чином, основним джерелом енергії для фотосинтезу та біологічної продуктивності слугує енергія Сонця. Рослини перехоплюють цю енергію, але використовують для фотосинтезу лише 2...5 %, решта витрачається на нагрівання рослин і довкілля, тому сонячна енергія визначає також температуру, за якої відбуваються фізіологічні процеси. Крім фотосинтезу, сонячна радіація (енергія, яка переноситься в просторі у формі електромагнітних хвиль або квантів) впливає також на фотоморфогенетичні та фототропні реакції.

Фотосинтетично активна радіація (ФАР) — це радіація в межах 400...700 нм, вона вимірюється в моль • м^-2* с, або Вт * м^-2, тоді як енергія квантів різних довжин хвиль — в кДж або в еВ (табл. 1).
Таблиця 1. Енергія квантів різних довжин хвиль

Довжини хвиль (нм)	Колір світла	Вміст енергії кДж (моль фотонів)	ДЕ(еВ)
700	Червоний	170	1,76
650	Оранжевий	183	1,90
600	Жовтий	199	2,06
500	Зелено-синій	238	2,47
440	Блакитний	271	2,80
400	Фіолетовий	298	3,09

Кванти світла (фотони) в даній області спектра майже однаково ефективні в фотосинтетичних реакціях. ФАР становить близько 50 % загальної (пряма + розсіяна) сонячної радіації й дещо змінюється залежно від часу доби чи пори року. Радіація, що падає на рослинний покрив, може поглинатися, передаватися чи відбиватися. В спектральній області ФАР листок поглинає до 80 % падаючої радіації, тоді як у короткохвильовій та інфрачервоній областях більша частина її розсіюється. Значення цього явища полягає в тому, щоб зменшити теплове навантаження від хвиль тих довжин, які не використовуються у фотосинтезі. Однак у деякій інфрачервоній області листки добре поглинають радіацію. Оскільки листки одночасно є і добрими джерелами випромінення, вони здатні досить ефективно розсіювати надлишок тепла в довгохвильовій частині спектра. За період еволюції протягом мільярдів років природа створила процеси та живі системи, які ідеально використовують потоки енергії сонячної радіації.

Маса рослинного покриву Землі складає більш як 1800 млрд. т сухої речовини, що енергетично еквівалентно 30 • 10²¹ Дж. Ця цифра відповідає відомим запасам енергії корисних копалин. Ліси становлять близько 68 % біомаси суші, трав'янисті екосистеми — 16, агрофітоценози — лише 8 %. В цілому на Землі з участю фотосинтезу щороку створюється 173 млрд. т сухої речовини.

Енергетичний еквівалент щорічної біопродуктивності на Землі приблизно в 10 разів більший за річну енергетичну потребу всього населення земної кулі.

Поступово, всього лише сотні мільйонів років тому, кількість первинної продукції живих організмів на Землі зрівноважилася з її витратами в процесах дихання, бродіння, окиснення. На планеті стабілізувався добре врівноважений кругообіг вуглецю та інших органогенів, насамперед азоту, фосфору, калію, що стало одним із найважливіших факторів формування оптимального для життя екологічного середовища.

Кругообіг кисню, вуглекислого газу, азоту та інших елементів, які беруть участь у процесах життєдіяльності рослин, створив і підтримує газовий склад сучасної атмосфери, потрібний для життя на Землі.

Однак науково необґрунтована інтенсифікація діяльності людства, поява нових екологічно небезпечних джерел енергії, наприклад атомного розпаду, призвели до сучасної екологічної кризи. Вміст СО₂ в атмосфері почав збільшуватися, що може різко вплинути на тепловий режим планети. СО₂ та водяна пара поглинають інфрачервоні промені, що відбиваються від Землі в космос і створюють так званий парниковий ефект. За даними агентства з охорони природи США, це загрожує підвищенням температури на планеті в найближче століття на 3...9 °С із наступними катастрофічними наслідками. Фотосинтез перешкоджає нагромадженню СО₂, захищає планету від перегріву. Крім того, постійний вміст кисню (21 %) в атмосфері забезпечує існування озонового екрану на висоті 25 км. Озон — О₃ — створюється в результаті фотодисоціації молекул О₂ під дією сонячної радіації. Він захищає все живе від згубної дії ультрафіолетових променів (240...290 нм). Забруднення атмосфери, знищення лісів призводить до зниження вмісту кисню, виникнення озонових дірок. Звідси прямий зв'язок фотосинтезу з охороною навколишнього середовища не в регіональних, а в глобальних масштабах.

Якщо раніше фотосинтез асоціювався з біологією, а правильніше, з фізіологією рослин, то останнім часом ним серйозно зацікавилися технологи. Виявилося, що рослинний організм, здатний перетворювати світлову енергію на електричний струм, вилучає з води водень — цінне, екологічно безпечне, але поки що дороге паливо, фіксує вільний азот повітря та багато іншого, що може бути використане в фітобіотехнології.

Вивчення механізму фотосинтезу дасть змогу здійснювати цей процес у промислових масштабах поза рослиною, що має вирішальне значення в енергетиці майбутнього.

Не менш важливе значення фотосинтезу як основи одержання продовольства, кормів, технічної сировини. Глобально чиста продуктивність фотосинтезу за розрахунками становить 78 • 10⁹ т вуглецю за рік, з яких 7 % — безпосередньо або через тваринні організми використовуються як продукти харчування, паливо, сировина. Використання корисних копалин як палива експоненційно зростало на 4,3 % за рік протягом останнього сторіччя й на початок XXI ст. приблизно зрівнялося з наростанням біомаси.

Незважаючи на високу ефективність початкових стадій фотосинтезу (95 %), в урожай переходить менш як 1...2 % сонячної енергії, втрати якої зумовлені неповним поглинанням світлових променів, лімітуванням процесів на рівні біохімії та фізіології. Рослинність всіх континентів фіксує у вигляді хімічної енергії приблизно 1...2 % ФАР.

Згідно з теоретичними розрахунками, максимальна енергетична ефективність може бути до 28 % ФАР. При коефіцієнті корисної дії 3...5 % ФАР можна одержати до 60 т/га органічної маси. В зв'язку з цим особливо актуальними стають питання розробки теоретичних основ управління фотосинтезом, дослідженням його як єдиного процесу запасання сонячної енергії, закономірностей його регулювання та адаптації до зовнішніх умов. Визначальна залежність людства від фотосинтезу особливо проявляється в наш час, коли невідповідність між виробництвом сільськогосподарської продукції та чисельністю народонаселення стає все більш загрозливою.

Подальше інтенсивне дослідження законів еволюції біосфери у зв'язку з фотосинтетичним процесом, їх прогнозування, приведення в агрокліматичну відповідність різних регіонів планети вселяє впевненість, що за оптимальних умов агрофітоценози зможуть забезпечити їжею більш як 10... 12 млрд. чоловік — найнижчий імовірний рівень населення нашої планети. Однак для цього слід перейти до ери стабільного рівномірно розподіленого споживання продуктів харчування на помірному рівні, який дав би змогу зберегти буферну здатність глобального циклу вуглецю.

І нарешті, слід підкреслити світоглядне значення фотосинтезу, бо вивчення цього процесу має привести нас до розкриття кардинальної проблеми — з'ясування того, як виникло життя на Землі. Адже в процесі фотосинтезу щомиті неорганічна речовина СО₂ та Н₂О перетворюються на органічну, а, як відомо, саме в цьому і полягає суть переходу від передбіологічної еволюції до біологічної. Отже, фотосинтез як явище і наукова проблема — екстраординарний.

З нагромадженням знань про особливості даного процесу змінювалась і його назва. Тепер вважають недостатнім класичне визначення, згідно з яким фотосинтез — це утворення зеленими рослинами органічних сполук із СО₂ і Н₂О за допомогою квантів сонячного світла. В наш час фотосинтез визначають як фототрофну функцію бактерій, найпростіших, водоростей та вищих рослин.

Фототрофна функція — це сукупність процесів поглинання, перетворення та використання в багатьох ендорганічних реакціях світлових квантів, у ході яких відбувається первинне становлення пластичних та енергетичних ресурсів життя на нашій планеті.

1.2 Загальне рівняння фотосинтезу та походження кисню

Датою відкриття процесу фотосинтезу вважають 1771 рік. Англійський вчений Д. Прістлі звернув увагу на зміну складу повітря внаслідок життєдіяльності тварин. У присутності зелених рослин повітря знову ставало придатним як для дихання, так і для горіння. В подальших роботах учених (Й. Інгенхауз, Ж. Сенеб'є, Н. Соссюр, Ж. Бусенго) було встановлено, що зелені рослини із повітря поглинають вуглекислий газ, із якого за участі води на світлі утворюється органічна речовина. Саме цей процес у 1877 р. німецький вчений В. Пфеффер назвав фотосинтезом. Величезне значення для розкриття суті фотосинтезу мав закон збереження енергії, сформульований Р. Майєром (1845). Згідно з цим законом, енергія, яку використовують рослини, — це енергія Сонця, яку в процесі фотосинтезу рослини перетворюють на хімічну енергію.

Загальне рівняння фотосинтезу не досить точно передає суть цього процесу, адже, згідно з цим рівнянням, можна припустити, що частина виділеного О₂ походить від СО₂, тоді як насправді весь кисень утворюється з води в ході фотолізу:

Тому доцільніше розділити його на складові частини:

де А — акцептор електронів і протонів.

Згідно з цим рівнянням, в основі суті фотосинтезу лежить окисно-відновна реакція. За участі хлорофілу та енергії сонячних квантів вода фотоокиснюється, в результаті чого виділяються кисень та водень, останній і відновлює СО₂ до рівня вуглеводів. Ці реакції відбуваються відповідно в світлову та темпову стадії фотосинтезу.

Впродовж сторіччя після відкриття Д. Прістлі (1771) фотосинтезу вчені з'ясовували його суть, встановили учасників і кінцеві продукти, що одержуються в результаті цього процесу.

Довгий час вважали загальноприйнятим, що вуглеводи утворюються з вуглецю та водню, а кисень виділяється з вуглекислоти. Ця гіпотеза, як виявилося пізніше, була абсолютно неправильною. Вперше в 1893 р. О. М. Бах передбачив, що асиміляція СО₂ в процесі фотосинтезу нічого спільного з відщепленням кисню від СО₂ не має, а пов'язана з окисно-відновним процесом, який відбувається з участю водню та гідроксилу води, причому кисень виділяється з води.

Теорію походження кисню з вуглекислого газу спростував Корнеліус Ван Ніль, який в Станфордському університеті (США) вивчав метаболізм різних фотосинтезуючих бактерій. Він з'ясував, що для фотосинтезу пурпурних сірчаних бактерій необхідний сірководень, а в результаті цього процесу всередині бактеріальних клітин нагромаджується сірка:

Після серії дослідів у 1937—1941 pp. учений зробив сміливе узагальнення: первинна фотохімічна реакція фотосинтезу полягає саме в фотодисоціації води, а не в розкладанні СО₂, й запропонував сумарне рівняння фотосинтезу:

В цьому рівнянні Н₂А може бути водою або іншим відновником. Отже, бактерії, здатні до фотосинтетичної асиміляції СО₂, за винятком ціанел, використовують H₂S, H₂, СН₃, а тому в процесі фотосинтезу не виділяють кисень. Такий тип фототрофного живлення дістав назву фоторедукції. Для вищих рослин і водоростей Н₂А — це вода. Інакше кажучи, Ван Ніль припустив, що саме вона, а не вуглекислий газ розкладається в процесі фотосинтезу. Отже, рівняння фотосинтезу тепер матиме такий вигляд:

або поетапно:

Уявлення Ван Ніля про походження кисню знайшло підтвердження в експериментах із міченим ¹⁸О₂, які незалежно в 1941 р. провели С. Рубен (США) та російські вчені О. П. Виноградов і Р. В. Тейс. За допомогою мас-спектрометричного аналізу було показано, що відношення ¹⁶О₂ до ¹⁸О₂ в кисні, який утворюється в процесі фотосинтезу, відповідає співвідношенню їх саме у воді, а не в СО₂:

Коли ж ввести ізотоп О₂ у вуглекислий газ, то рівняння набуває іншого вигляду:

Це свідчить, що новоутворена молекула води відрізняється від тих двох молекул, що вступили в реакцію (рис. 1).

Рис. 1. Фотоліз води і виділення О₂
Отже, порівняльний аналіз ізотопного складу води, вуглекислого газу та О₂, що виділяється під час фотосинтетичного процесу рослиною, підтвердив спорідненість кисню фотосинтезу з водою.
Також Р. Хілл у 1939 р. продемонстрував, що ізольовані хлоропласти здатні під час освітлення розкладати воду з виділенням О₂ за наявності відповідних акцепторів електронів, але без участі вуглекислого газу:

Відсутність реакції, в якій були б використані електрони, компенсується, як видно з реакції, введенням у систему акцептора електронів (А), або «реагента Хілла». Це можуть бути солі заліза (калій феріоксалат, калій фериціанід), бензохінон або природний акцептор електронів НАДФ⁺.

Отже, для водоростей, вищих рослин, у яких вода слугує донором електронів, підсумкове рівняння фотосинтезу матиме такий вигляд:

При цьому також запасається вільна енергія, величина якої для цього процесу приблизно 470 кДж/моль.

Під час фотосинтезу з простих неорганічних сполук (води та вуглекислого газу) синтезуються різноманітні органічні сполуки. В результаті відбувається перебудова хімічних зв'язків: замість С—О та Н—О виникають С—С та С—Н зв'язки, в яких електрони займають більш високий енергетичний рівень.

Дослідження свідчать також, що майже весь кисень атмосфери має фотосинтетичне походження. Отже, процеси дихання і горіння стали можливі лише після того, як виник фотосинтез. Все це й свідчить про космічне значення зеленої рослини. Підсумкова реакція фотосинтезу може мати вигляд окисно-відновних реакцій, одна з яких фотодисоціює воду, а інша — відновлює СО₂ до вуглеводів, але вже без участі квантів сонячних променів:

І дійсно, нині відомо, що фотосинтез відбувається в дві стадії — світлову та темнову.

Розділ 2. Листок як орган фотосинтезу
Особливості морфології, анатомії та фізіології листка повною мірою забезпечують здійснення його основної функції — фотосинтезу (рис. 2).

Загальна листкова поверхня рослин помірної зони, розміщених на 1 га орної площі, майже в п'ять разів перевищує земельну ділянку, а в південних районах з нормальним зволоженням — у 10... 15 разів. Різноманітна їхня форма, розташування на стеблі, фото-тропічна реакція забезпечують виконання найважливішої функції — поглинання світлових променів. Як і всі фізичні тіла, листок відбиває, поглинає та пропускає промені, що падають на нього (рис. 3).

Поверхня листка вкрита епідермісом. Клітини нижнього та верхнього епідермісу, за винятком тих, що створюють продиховий апарат, позбавлені хлоропластів. Вони лише пропускають світлові промені, отже, безпосередньої участі в фотосинтезі не беруть.

Рис. 2. Листок як орган фотосинтезу
Характерною особливістю покривної тканини листка є наявність продихів, площа яких не перевищує 1 % його загальної поверхні. Для того щоб процес фотосинтезу протікав нормально, в клітини до зелених пластид має надходити вуглекислий газ. Кількість його в атмосферному повітрі становить близько 0,03 %. Впродовж дня рослина засвоює таку кількість СО₂, яка міститься приблизно в 30...60-метровому шарі повітря. Для утворення 1 г вуглеводів необхідно близько 1,47 г СО₂ (така кількість його міститься майже у 2500 л повітря). Це можливо завдяки неперервному турбулентному рухові повітряних мас навкруг листків, який спричинюється нерівномірним нагріванням їх сонячними променями та вітром.

Рис. 3. Енергетичний баланс листка
Кількість води, що витрачається на фотосинтез, становить зовсім незначну частину тієї кількості, яку поглинає та випаровує рослинний організм. Дефіцит води знижує швидкість фотосинтезу, адже закриття продихів припиняє доступ вуглекислого газу до мезофілу листка. Крім того, кисень, що виділяється в процесі фотосинтетичних реакцій фотолізу води, теж потрапляє в навколишнє середовище крізь продихи. Тому закриття продихів припиняє газообмін з атмосферою, хоча при цьому ні фотосинтез, ні дихання не припиняються. Як невід'ємні структури листка, продихи взаємодоповнюють один одного, постачаючи відповідно кисень та вуглекислий газ для відповідних реакцій.

Отже, функціонування продихів регулює газообмін — надходження вуглекислого газу, виділення кисню та випаровування води. Як правило, продихів більше з нижнього боку листка, куди не потрапляють прямі сонячні промені. На верхній частині їх значно менше, що зменшує випаровування води під дією тих самих променів.

Основну ж тканину листка займає мезофіл, який буває двох типів: губчастий та палісадний (рис. 4).

Рис. 4. Анатомічна структура листка
Найбільше хлоропластів мають клітини палісадної або, як її ще називають, стовбчастої паренхіми (кілька десятків на одну клітину). Ці клітини щільно прилягають одна до одної, на відміну від пухко розміщених клітин губчастого мезофілу. Від 15 до 20 % загального об'єму листка становить міжклітинний простір, наявність якого характерна насамперед для губчастої паренхіми. Завдяки міжклітинникам значно зростає внутрішня поверхня листка (вона в 7... 10 разів більша за зовнішню поверхню), створюється відповідне співвідношення газового складу, яке відрізняється від атмосферного, хоча міжклітинний простір і поєднується з повітрям атмосфери через продихи. Саме за рахунок міжклітинного простору СО₂ постійно надходить з атмосфери, бо губчаста тканина мезофілу розміщується поблизу нижнього епідермісу, де розташовані численні продихи.

Мезофіл листка пронизаний густою сіткою судинно-волокнистих пучків, до складу яких входить ксилема, яка постачає воду та мінеральні речовини, і флоема, яка забезпечує відтік продуктів фотосинтезу.

Характерно, що прямого контакту між клітинами флоеми та кожною клітиною паренхіми немає. Це свідчить про те, що внутрішнє транспортування всього необхідного для фотосинтезу, як і відтік його продуктів на короткі відстані, здійснюється за участі симпласту й апопласту.

Для здійснення фотосинтезу в оптимальному режимі, листок має одержувати достатню кількість світлової енергії, води та вуглекислого газу.

Фотосинтез здійснюється під час безперервного надходження значної кількості світлової енергії в певні ділянки клітин. Тому в процесі еволюції рослин в клітині сформувалися спеціалізовані структури — хлоропласти (рис. 5).

Рис. 5. Будова хлоропласта:

1 — зовнішня оболонка; 2— внутрішня оболонка; 3 — строма; 4 — краплини ліпідів; 5— грана; 6 — тилакоїди строми; 7 — крохмальні зерна; 8 — оболонка хлоропласта; 9 — рибосоми

Довжина хлоропластів коливається від 4 до 10 мкм. Кількість їх у клітині може коливатися від одного до 100 і більше. Загальна сумарна поверхня хлоропластів перевищує площу листків у десятки, навіть у сотні разів.

Хлоропласти — це напівавтономна, саморегулювальна система рослинної клітини, яка для розвитку та функціонування використовує генетичну інформацію як свого власного, так і ядерного, а можливо і мітохондріального, геномів.

У 1960 р. японський біохімік Т. Івамура виявив в одноклітинній водорості хлорелі два типи ДНК — ядерну та хлоропластну. Стало очевидним, що генетичний матеріал евкаріот локалізований не лише в ядрі, яке слугує основною базою збереження спадкової інформації, а й розсіяний по клітині в її субклітинних структурах.

Хлоропластна ДНК у вигляді подвійної спіралі має лінійну, кільце- та петлеподібну форми. Загальна кількість ДНК у хлоропласті залежно від виду коливається в межах 20... 10 • 10^-15 г, а молекулярна маса — в межах 84... 104 мегадальтон. Контурна довжина кільцеподібних молекул хлоропластної ДНК у вищих рослин досягає 43...55 мм. В такій ДНК може бути близько 2 • 10⁷ пар нуклеотидів, що відповідає наявності кількох тисяч генів.

Однак генетична інформація пластид досить обмежена. Тому багато компонентів пластид синтезуються під контролем як хлоропластної, так і ядерної ДНК. У хлоропластах є своя власна рибосомальна рРНК, а можливо, і повний набір своїх транспортних тРНК, які беруть участь в експресії геному організму. В стромі хлоропласта локалізовані дрібні рибосоми з коефіцієнтом седиментації 70S. Маючи власний спадковий апарат, власну систему, що синтезує білок, хлоропласт може контролювати синтез певних поліпептидів.

За хімічним складом основна маса хлоропластів складається (% на суху речовину) з: білків (30...60), ліпідів (20...40), хлорофілів (5...9), каротиноїдів (4...5), ДНК (0,01...0,02), РИК (О,5...3,5), мінеральних речовин (6...10). У хлоропластах зосереджено до 80 % усього заліза рослинної клітини, 65...70 % всього цинку та близько 50 % міді. Хлоропласти містять різноманітні ферменти, які забезпечують функціонування ензиматичних реакцій фотосинтезу. В них містяться всі ферменти, які беруть участь в процесі фотосинтезу (рибулозобісфосфат-карбоксилаза/оксигеназа, окисно-відновні, синтетази, гідролази та інші).

Одним із найважливіших компонентів фотосинтетичного апарату є пігментний комплекс. Прокаріоти не мають спеціалізованих фотосинтетичних органел. їхній пігментний апарат представлений в окремих мембранах, які дифузно розсіяні в клітині. Всі інші представники евкаріотів мають спеціалізовані органели — хлоропласти, де й зосереджено весь пігментний комплекс. Виявлено, що фізико-хімічні властивості пігментів найкраще реалізуються саме в хлоропластах.

Розділ 3. Фотосинтетичні пігменти листка

3.1 Хлорофіли

Хлорофіли — це складні ефіри дикарбонової кислоти хлорофіліну, в якої одна карбоксильна група етирифікована залишком метилового спирту, а і інша — залишком спирту фітолу.

Методом хроматографічного аналізу хлорофіли було розділено на хлорофіл а — C₅₅H₇₂O₅N₄Mg _Ta хлорофіл b — C₅₅H₇₀O₆N₄Mg.

Основу молекули становить порфіринове ядро, що складається з чотирьох пірольних кілець, атоми азоту яких сполучені в центрі магнієм. По периферії пірольні кільця зв'язані між собою метино-вими містками (=СН—). Крім того, є додаткове п'яте циклопента-нове кільце, яке містить кетогрупу (=С=О).

Гідрофільні властивості хлорофілу пов'язані з його азотовмісним порфіриновим ядром — «головкою» молекули. Довгий вуглецевий ланцюг (фітольний «хвіст»), який приєднується до порфіринової частини молекули, надає хлорофілу гідрофобних властивостей. Здатність фітолу розчинятися в жирах має важливе значення для збереження структури хлоропластів. Саме завдяки наявності залишку фітолу хлорофіли добре розчинні в спирті, бензині, ацетоні, але нерозчинні у воді. Протилежні гідрофільні та гідрофобні властивості цих частин молекули мають важливе значення під час локалізації хлорофілу в ламелах хлоропласта між білками та ліпідами. Структурну формулу хлорофілів наведено на рис. 6.

Хлорофіл а наявний у хлоропластах або в аналогічних структурах усіх організмів, здатних до фотосинтезу, за винятком бактерій які містять бактеріохлорофіл а.

Усі вищі рослини та зелені водорості містять також хлорофіл b Різниця між ними полягає в тому, що до хлорофілу ь біля третього атома вуглецю другого пірольного кільця замість метильної групи (-СН₃), яка характерна дляхлорофілу а, приєднана альдегідна (-СОН)-група. Ці два хлорофіли відрізняються також за забарвленням: хлорофіл а має синьо-зелений відтінок, тоді як хлорофіл b -жовто-зелений. Вміст хлорофілу а в листку приблизно втроє більший, ніж хлорофілу b.

Рис. 6. Структурна формула хлорофілів
Молекула хлорофілу електрично нейтральна, бо подвійний позитивний заряд магнію компенсується двома надлишковими електронами, які розподілені між чотирма атомами азоту пірольних кілець.

Якщо з молекули хлорофілу видалити фітол, одержимо хлорофілід.

У разі заміщення атома Мд²⁺ воднем утворюється феофітин. У різних представників рослинного світу трапляються й інші види хлорофілів та інших пігментів.

Різні види пігментів розпізнають за допомогою їхніх спектральних характеристик (рис. 7).

Спектри поглинання у різних груп хлорофілів залежать від характеру заміщувальної групи біля пірольних кілець і типу органічного розчинника. Так, бактеріохлорофіл а має спектр поглинання з максимумами 400, 600 і 700 нм. Завжди чітко вирізняються два максимуми поглинання: в області коротких хвиль та відповідно в довгохвильовій. Наприклад, спектри поглинання хлорофілу а — 420 і 662 нм, а хлорофілу b— 455 і 644 нм. В листку спектри поглинання хлорофілу змінюються залежно від його стану, ступеня агрегації йадсорбції на певних білках. Виявлено форми хлорофілів, які поглинають світло з довжиною хвилі 700, 710 і навіть 720 нм.

Рис. 7. Спектральні характеристики пігментів
Хлорофіл у живій інтактній клітині здатний до фотоокиснення та фотовідновлення. Здатність до окисно-відновних реакцій пояснюється наявністю в молекулі хлорофілу подвійних зв'язків з рухливими π-електронами та атомів азоту з неподіленими електронами. Азот пірольних кілець може окиснюватися (віддавати електрони) або відновлюватися (приймати електрони).

Важливою властивістю хлорофілів є їхня здатність до взаємодії один з одним, тому в хлоропластах можуть траплятися хлорофіли як у мономерніп, так і в агрегованій формі.

Встановлено, що хлорофіл у мембранах пластид перебуває у вигляді пігмент-ліпопротеїдних комплексів з різним ступенем агрегації. Особливості спектра дії фотосинтезу свідчать про те, що в процесах поглинання світла беруть участь і додаткові пігменти.

3.2 Каротиноїди

Поряд із зеленими пігментами в хлоропластах є й такі, що належать до групи каротиноїдів. Каротиноїди — це найпоширеніші в рослинному світі жиророзчинні жовті, оранжеві та червоні пігменти аліфатичної будови. Вони є обов'язковим компонентом фотосинтетичного апарату. За хімічною природою всі вони — полімери вуглеводню і складають ланцюг із 40 вуглецевих атомів (рис. 4.9), побудований з 8 залишків ізопрену.

Довжина ланцюгів досягає 3 нм і вони часто закінчуються шестичленними циклами. Каротиноїди можуть бути ациклічними (лікопін), моноциклічними або біциклічними. Окиснені форми каротиноїдів називають ксантофілами. Ксантофіли становлять близько 50 % всіх каротиноїдів листка.

У хлоропластах вищих рослин поряд із хлорофілами найчастіше трапляються β-каротин (С₄₀Н₅₆) і ксантофіли — лютеїн (С₄₀Н₅₆О₂) і віолаксантин (С₄₀Н₅₆О₄). В значних кількостях є також а-каротин і неоксантин.

Каротини, як і ксантофіли, характеризуються гідрофобними властивостями, тому добре розчинні в жирах, що дає їм змогу формувати комплекси в ліпідному прошарку мембрани. Ксантофіли, порівняно з каротинами, мають різноманітнішу структуру, бо до їхнього складу можуть входити різні групи, що містять О₂, а саме: гідроксильні, метоксильні, кетогрупи та інші. Між собою ксантофіли відрізняються лише ступенем окиснення.

Як допоміжні пігменти фотосинтетичного апарату каротиноїди забезпечують поглинання квантів двома піками в синьо-фіолетовий та синій областях спектра (420...490 нм) і деякою мірою в зеленій (490...550 нм). Максимуми поглинання залежать від замісників біля вуглецевого скелета, типу розчинника та кількості подвійних зв'язків. В амплітуді від 400 до 550 нм вони, як правило, мають дві-три смуги поглинання.

Рис. 8. Структурні формули каротиноїдів
Отже, каротиноїди розширюють спектр дії фотосинтезу, забезпечуючи, поглинання від 10 до 20 % енергії сонячних квантів, причому близько 50 % енергії поглинається в короткохвильовій області — зоні високих енергій. Ці пігменти виконують функцію світлопоглинання, передаючи енергію свого електронно-збудженого стану до хлорофілу а. Зворотний процес передачі неможливий. Слід підкреслити, що каротиноїди, на відміну від хлорофілів, не здатні до флуоресценції.

Такі каротиноїди, як віолаксантин, неоксантин, зеаксантин та інші, поглинаючи світло в короткохвильовій високоенергетичній частині спектра, виконують захисну функцію, як хімічні буфери в реакціях фотосинтезу. Можливий механізм захисту полягає в тому, що каротиноїди здатні реагувати зі збудженою молекулою хлорофілу, забираючи від нього енергію, чим попереджають його фотоокиснення. Енергія фотозбудженої молекули хлорофілу переходить до каротиноїду, хлорофіл набуває нормального енергетичного стану, а енергія виділяється у вигляді тепла. Завдяки цьому каротиноїди оберігають хлорофіл та інші біологічно активні сполуки від фотоокиснення.

Слід згадати, що каротиноїдам належить ще одна специфічна функція в регулюванні фотосинтетичного апарату рослинного організму. Річ у тім, що хлоропласти переміщуються в клітині під впливом синіх променів, які знову ж таки поглинаються каротиноїдами.

Фізіологічна функція каротиноїдів не обмежується їхньою участю в передачі енергії на молекули хлорофілів. Каротиноїди — переносники активного кисню, вони беруть участь в окисно-відновних реакціях завдяки наявності значної кількості подвійних зв'язків. їм належить певна функція у статевому процесі рослин, а саме: вони зумовлюють забарвлення пелюсток квітів, плодів, коренеплодів. Залишається мало з'ясованою їхня функція в кисневому обміні, участь у формуванні фотоперіодичної реакції, в ростових процесах, зокрема під час проростання насіння, в проявах фототаксису та фототропізму.

3.3 Фікобіліни

Такі фотосинтезуючі організми, як синьо-зелені водорості, червоні та деякі інші представники водоростей, окрім хлорофілів і каротиноїдів, мають ще одну групу допоміжних пігментів — фікобіліни. Цю назву вони одержали завдяки своїй подібності до тваринних пігментів — білірубінів.

Білінами називають досить поширені в природі тетрапіроли з відкритим ланцюгом, без металу. В тваринному царстві вони часто трапляються як нефункціональні катаболіти гема. Рослинні біліни (фікобіліни) функціонують як сенсибілізатори і фоторецептори, що забезпечується їхнім ковалентним зв'язком з апобілками. Отже, подібно до хлорофілів, фікобіліни — тетрапіроли, але чотири залишки піролу в них створюють незамкнутий витягнутий або згорнутий ланцюг. Піроли з'єднуються між собою метиленовими і метиновими містками, тоді як хромофорні групи, як правило, ковалентно зв'язані білком.

Хромофорною групою фікоціанінів є фікоціанобілін, фікоерит-ринів — фікоеритробілін (рис. 9).

Відрізняються вони між собою лише взаєморозміщенням пірольних і піроленінових кілець. У фікобілінпротеїнах одна молекула білка може зв'язувати кілька хромофорних груп. Фікоеритробілін у сполученні з білком називають фікоеритрином. Він добре розчинний у воді, поглинає кванти зеленої частини спектра. Фікоеритробіліни (C₃₄H₄₇N₄O₈) трапляються переважно у червоних водоростей, де й визначають їхнє забарвлення, адже фікоеритрини — білки червоного кольору, які мають максимуми поглинання 500...568 нм.

Фікоціанобіліни (C₃₄H₄₂N₄O₉) характерні для синьозелених водоростей, причому максимуми поглинання фікоціанінів дещо зсунуті в довгохвильову область — від 585 до 630 нм.

Фікоеритрин і фікоціанін складаються з двох різних білкових субодиниць, які позначають відповідно а (молекулярна маса 19 000) і р (молекулярна маса 21 000) у співвідношенні 1 : 1. Кожна з білкових субодиниць несе ковалентно зв'язаний з нею фікобілін. Як правило, фікобіліни, зв'язані з однією субодиницею, належать до одного типу, тобто до фікоеритробілінів або фіко-ціанобілінів.

Рис. 9. Хромофорні групи фікоціанінів і фікоеритринів
До фікобілінів належать також алофікоціаніни — пігменти з максимумами поглинання від 585 до 650 нм, хромофорну групу їх поки що не визначено. Цю назву алофікоціаніни одержали завдяки тому, що спочатку їх приймали за одну з форм фікоціаніну. На відміну від інших фікобілінпротеїнів їхня молекула складається лише з одного типу білкових одиниць (молекулярна маса 15 кДа), причому кожна субодиниця несе одну молекулу ало-фікоціаніну.

Алофікоціанін характерний для синьозелених, хоча трапляється також у червоних і криптомонадових водоростей. А загалом поширення окремих типів пігментів фікобілінів серед синьозелених, червоних і бурих водоростей досить специфічне.

Слід зазначити, що на відміну від хлорофілів і каротиноїдів, локалізованих у ламелах, фікобіліни концентруються або в стромі, або формують особливі впорядковані ансамблі на поверхні мембран — фікобілісоми (рис. 10).

Як правило, в таких водоростях фікобіліни присутні в значно більшій концентрації порівняно з хлорофілами, тому саме вони і зумовлюють їхнє забарвлення. Фікоціаніни, фікоеритрини і алофікоціаніни трапляються в різних співвідношеннях, причому залежно від умов освітлення формується переважно такий набір пігментів, який найкраще використовує відповідний спектп.

Рис. 10. Модель фікобілісоми: аф — алофікоціаніни
Пігменти даної групи виконують функцію світлозбиральної антени та забезпечують ефективну передачу поглинутої ними енергії сонячного світла до хлорофілів а.

Фікобіліни зумовлюють явище філогенетичної хроматичної адаптації водоростей в їхній вертикальній зональності.

Як відомо, червоні промені, що відповідають спектру поглинання хлорофілу, поглинаються, проходячи крізь товщу води. Вже на глибині 34 м зникають червоні промені, 177 м — жовті, 322 м — зелені, 500 м — сині та фіолетові. Відповідно до цього певні екологічні ніші займають спочатку зелені, потім синьо-зелені і, нарешті, червоні водорості. Наявність фікобілінів дає змогу водоростям у процесі фотосинтезу використовувати промені, які проникають на певну глибину, та займати відповідні екологічні ніші.

Висновки

Особливості морфології, анатомії та фізіології листка повною мірою забезпечують здійснення його основної функції — фотосинтезу. Функціонування продихів регулює газообмін — надходження вуглекислого газу, виділення кисню та випаровування води.

Фотосинтетичні пігменти — досить складні органічні сполуки, тому їх біосинтез охоплює низку етапів. Хлорофіли, як і подібні до них за хімічними властивостями цитохроми (Fe-порфірини), характеризуються єдиним процесом синтезу від простих складових до тетрапірольних структур.

Пігменти пластид відносять до трьох класів, а саме: хлорофіли, каротиноїди та фікобіліни. Найважливіше значення в процесі фотосинтезу належить зеленим пігментам — хлорофілам. Нині відомо близько десяти хлорофілів, які відрізняються хімічним складом, забарвленням і поширенням серед живих організмів. Основними пігментами, без яких фотосинтез не відбувається, є хлорофіл а для зелених рослин і бактеріохлорофіл для фототрофних бактерій. Пігменти — це сполуки, які вибірково поглинають світло у видимій (400...700 нм) частині спектра.

Непоглинені ділянки сонячного спектра відбиваються, що й зумовлює забарвлення пігменту. Зелений пігмент хлорофіл поглинає червоні та сині промені, тоді як зелені в основному відбиваються.

Фотосинтез — це насамперед фізична проблема. Первинні процеси його розпочинаються з миттєвих реакцій поглинанняелектромагнітної енергії сонячних квантів, її запасання та стабілізації у вигляді електронного збудження, міграції енергії в пігмент-ліпопротеїдному комплексі хлоропластів.

Світлоіндуковане векторне транспортування електронів між двома фотосистемами, яке розпочинається від води й закінчується НАДФ⁺, забезпечується завдяки специфічному й несиметричному розташуванню низки окисно-відновних компонентів тилакоїдної мембрани — переносників електронів і протонів, які в сукупності складають електронно-транспортний ланцюг.
Список літератури

Бугай С.М. Растенееводство. – К.: Вища школа, 1975. – 375 с.
Избранные главы физиологии растений / В. Ф. Гавриленко, М. В. Гусев, К. А. Никитина. — М.: Изд-во Моск. ун-та, І986. — 436 с.
Кочубей С. М. Организация фотосинтетического аппарата высших растений. — Киев: Альтерпрес, 2001. — 204 с.
Мокроносов А. Т., Гавриленко В. Ф. Фотосинтез: физиологические и биохимические аспекты. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1992. — 319 с.
Максимов Н.А. Краткий курс физиологии растений, 1958.
Мусієнко М. М. Фотосинтез. — Киев: Вища школа, 1995. — 247 с.
Мусієнко М.М. Фізіологія рослин. – К.: Либідь, 2005. – 808 с.
Рубин Б.А. Курс физиологии растений. – М.: Высшая школа, 1961. –583 с.
Силаева А. Й. Структура хлоропластов и факторы среды. — Киев: Наук, думка, 1978. — 157 с.
Фотосинтез: В 2 т. / Под ред. Р. Говинджи. — М.: Мир, 1987. — Т. 1. 728 с; Т. 2. 460 с.
Эдварде Дж., Уокер Д. Фотосинтез С₃- и С₄-растений: механизмы и регуляция. — М.: Мир, 1986. — 590 с.

скачати