Фотосинтез — це процес трансформації поглинутої організмом енергії (Е) світла в хімічну Е органічних (і неорганічних) сполук. Головну роль у цьому процесі відіграє відновлення СО₂ до рівня вуглеводів. Однак у процесі ф/с можуть відновлюватися сульфати чи нітрати, утворюватися Н₂; Е світла витрачається також на транспорт речовин  через мембрану і також на інші процеси. Ф/с відіграє основну роль в енергетиці біосфери.

Історія вивчення фотосинтезу

Початком експериментальних робіт у галузі ф/с послужили досліди англ. хіміка Дж. Прістлі з рослинами під скляним ковпаком із свічкою. Так був відкритий кисень (1774 р.). Голландський лікар Я. Інгенхауз виявив, що рослини виділяють кисень лише на світлі, а у темноті – поглинають, як тварини при диханні.

В 1782 р. швейцарський дослідник Ж. Сенеб’є встановив, що на світлі рослини також поглинають СО₂. Це підтвердив швейцарський вчений Т. Соссюр, який кількісним аналізом довів, що поглинається стільки СО₂ скільки виділяється О₂. Але наростання сухої маси рослини значно перевищувала кількість поглинутого СО₂ і мінеральних  речовин. Соссюр зробив висновок, що органічна маса утворюється ще й за рахунок води. В 1865 р.  німецький фізіолог рослин Ю. Сакс продемонстрував, що на світлі у листках утворюється крохмаль і що він знаходиться у хлоропластах. (дослід-проба Сакса).

Видатний фізіолог рослин К. А. Тімірязєв у своїй докторській дисертації ”Про засвоєння світла рослинами” (1875) показав, що інтенсивність асиміляції СО₂ максимальна при освітленні рослини червоним світлом (яке найбільше поглинається хлорофілом). Що хлорофіл служить оптичним сенсибілізатором (збільшує чутливість до світла) і бере безпосередньо участь у процесі ф/с. Тімірязєв сформулював також ідею про космічну роль рослин: ф/с — єдиний процес, з допомогою якого космічна сонячна Е уловлюється й залишається на Землі. У хлоропласті промениста Е сонця перетворюється у хім. Е вуглеводів. Крохмаль, клейковина, клітковина та інші  сполуки, консервуючи сонячну Е, служать нам їжею і дають Е для всіх процесів життєдіяльності.

Результати вивчення повітряного живлення рослин за перші 100 років після дослідів Прістлі виражаються загальним рівнянням фотосинтезу:

6СО₂+6Н₂О(hn)®С₆Н₁₂О₆+6О₂.

 ·                      Дві фази фотосинтезу

Російський біохімік А. Бах і голландський мікробіолог Б. ван Ніль зробили припущення, що первинна фотохімічна реакція ф/с полягає у дисоціації води. Ця ідея була дальше доведена дослідами англ-го фізіолога Р. Хіла. В 1937 р. він показав, що ізольовані хлоропласти під дією світла розкладають воду і виділяють кисень у присутності акцепторів е^- (бензохінона) — реакція Хіла. 

Прямі експериментальні докази того, що О₂ при ф/с звільнюється власне з води, були отримані в 40-х роках незалежно американськими й радянськими вченими.

Рівняння ван Ніля включає 2 групи реакцій: одна пов'язана з фотодисоціацією води, виділенням О₂, та транспортом електронів,  це – світлова фаза ф/с; а друга – із відновленням СО₂ до вуглеводу і не залежить від світла, це – темнова фаза ф/с.

Експериментальними доказами реального існування цих двох фаз ф/с стали досліди з мигаючим світлом. Вони показали, що максимальна інтенсивність ф/с спостерігається не при безперервному, а при імпульсивному освітленні.

Далі було показано, що величина температурного коефіцієнта Q₁₀ для першої групи реакцій » 1, бо фотохімічна реакція не залежить від t^о; а для темнової фази ф/с Q₁₀ при 15°С і 25°С дорівнює 2,0-2,5, як для хімічних чи ензиматичних процесів. Отже, інтенсивність ф/с лімітується швидкістю його хімічних (темнових) реакцій.

В 50-х рр. американський фізіолог Арнон дослідним шляхом відкрив явище фотофосфорилювання, показав, що NADPH i ATP - кінцеві продукти світлової фази ф/с і, нарешті, встановив, що світлова фаза проходить у тилакоїдах хлоропласта, а темнова - у його стромі.

Т.ч., весь процес ф/с поділяється на темнову та світлову фази :

-       світлова фаза полягає у поглинанні променистої Е пігментами хлоропластів та її перетворенні в хім. енергію АТФ та NADPH, одночасно відбувається фотоліз води з виділенням О₂; все це відбувається у мембранах хлоропластів.

-       темнова фаза полягає у фіксації СО₂ та її відновлення до вуглеводів. При цьому витрачається енергія АТФ. Цей процес залежить від температури, не потребує світла, проходить у стромі тилакоїдів.

·                      Пігменти пластид

Пігменти - найважливіший компонент апарату ф/с. Пігменти пластид відносяться до 3-х класів речовин: хлорофілів, фікобілінів, каротиноїдів.

Хлорофіли

Структура і склад.

Нім. хімік Р. Вільштеттер в 1914р.  встановив елементарний склад хлорофілу а - С₅₅Н₇₂О₅N₄Мg і   хлорофілу б - С₅₅Н₇₀О₆N₄Мg; а німецький біохімік Г. Фішер в 1930-40 рр. повністю розшифрував структурну формулу. В 60-х рр.  було здійснено штучний синтез  хлорофілу.

Хлорофіл - складний ефір дикарбонової кислоти хлорофіліну (C₃₂H₃₀ON₄Mg(COOH)₂), у якої одна карбоксильна група етерифікована залишком метилового спирту (CH₃OH), а інша — залишком одноатомного ненасиченого спирту фітолу (C₂₀H₃₉OH).

Структурна формула хлорофілу.

Чотири пірольні кільця (І-IV) з'єднані між собою метиновими містками (a, b, d, g) і утворюють порфіринове ядро. Зовнішні атоми вуглецю: 1-10. Атоми азоту пірольних кілець чотирма координаційними зв'язками взаємодіють з атомом Мg. Циклопентанове кільце (V) містить хімічно активну карбонільну групу біля С₉ і метильовану карбоксильну групу біля С₁₀. Бічний ланцюг IV пірольного кільця включає в себе пропіонову кислоту,  зв'язану складноефірним зв'язком із поліізопреновим ненасиченим спиртом фітолом (С₂₀Н₃₉ОН).

1, 3, 5 і 8 вуглеці пірольних кілець мають метильні групи, 2-й — вінільну, 4-й — етильну. Порфіринове кільце являє собою систему із дев'яти пар кон’югованих чергуючих подвійних і одинарних зв'язків із 18-тьма делокалізованими p-електронами. Хлорофіллід - структура хлорофілу без фітолу.

При заміщенні Мg на протони утворюються феофітини.

Усі фотосинтезуючі рослини і ціанобактерії містять хлорофіл а; вищі рослини, зелені водорості та евгленові — хлорофіл b, бурі й діатомові водорості — хлорофіл с, червоні водорості - хлорофіл d.

Фізико-хімічні властивості хлорофілів.

У твердому вигляді хлорофіл а являє собою аморфну речовину синьо-чорного кольору. t_пл хл. а - 117-120°С. Хлорофіли добре розчинні в етиловому ефірі, бензолі, хлороформі, ацетоні, етил. спирті; погано — в петролейному ефірі і нерозчинні у воді.

Різко виражені максимуми поглинання хлорофілів  лежать у червоній (хл. а — 660нм; хл. б — 642нм.) і в синій (хл. а —  430 нм.; хл. б —455 нм. ) частинах спектра (дані для розчинів хлорофілів у етил. ефірі). Хлорофіли слабо поглинають оранжеве й жовте світло і зовсім не поглинають зелені та інфрачервоні промені.

На положення максимумів спектра поглинання має вплив природа розчинників і взаємодія молекул хлорофілу з іншими пігментами та органічними  речовинами.

Розчини хл-лів у полярних розчинниках мають яскраву флуоресценцію і здатні до фосфоресценції. Нативний хлорофіл флуоресціює слабо.

Ці явища залежать від різних шляхів використання енергії (Е) електронного збудження.

Поглинання молекулою хлорофілу кванта червоного світла приводить до переходу з основного синглетного енергетичного стану (S₀) у синглетний збуджений стан (S^*₁); поглинання синього світла з більшою Е приводить до переходу ē на більш високу орбіту (S^*₂).

Збуджена молекула хлорофілу повертається в основний стан різними шляхами. При цьому відбувається виділення теплоти, флуоресценція, фосфоресценція. Нарешті, Е збудженого стану може бути використана на фотохімічні реакції.

Структура молекули хлорофілу в процесі еволюції прекрасно пристосована до своїх функцій сенсибілізатора фотохімічних реакцій. В її склад входять 18 делокалізованих p ē, що робить молекулу хлорофілу легко збудливою при поглинанні квантів світла.

Таким чином, молекула хлорофілу здатна виконувати 3 важливі функції:

1)                    вибірково поглинати Е світла;

2)                    запасати її у вигляді Е електронного збудження;

3)                     фотохімічно перетворювати Е збудженого стану  електронів у хімічну Е фотовідновлених і фотоокислених станів.

Просторова організація хлорофілу:

магній-порфіринове кільце – утворює гідрофільну пластинку, яка розміщується над мембранами;

фітол знаходиться під кутом до порфіринового кільця, це й утворює гідрофобний полюс, який взаємодіє з мембранними структурами.

 Фікобіліни

Найпоширеніші представники фікобілінів – фікоеритробіліни (переважають у червоних  водоростей) і фікоціанобіліни (переважають у синьозелених).

Структура і властивості.

Відносяться до жовчних пігментів - білінів. Це тетрапіроли з відкритим ланцюгом. Містять систему кон’югованих подвійних і одинарних зв'язків. Пірольні кільця з'єднані між собою метильованими чи метиновими містками. І і ІV піроли мають по одній карбонільній групі. Містять бокові радикали: 4 метильних (С_{1, 3, 6, 7}) , вінільну (С₂) , етильну (С₈) і два залишки пропіонової к-ти (С_{4, 5}).

Загальний спектр поглинання – 490-650 нм. Розчинні у воді.

Значення.

Максимуми поглинання світла у фікобілінів знаходяться між двома максимумами поглинання у хлорофілів: в оранжевій, жовтій і зеленій частинах спектра. Це пов'язано з оптичними властивостями води, яка перш за все поглинає довгохвильові промені. В результаті у верхніх шарах океанів живуть переважно зелені водорості, глибше — синьо-зелені, а ще глибше — червоні.

У водоростей фікобіліни — це додаткові пігменти, які замість хлорофілу виконують функції світлозбираючого комплексу. Коло 90 % Е світла ними передається на хлорофіл а. У всіх рослин є фітохром — фікобілін, що є фоторецептором і виконує регуляторні функції.

 Каротиноїди

Каротиноїди — жиророзчинні пігменти жовтого, оранжевого, червоного кольору, які присутні в хлоропластах усіх рослин. Вони також входять до складу хромопластів у незелених частинах рослини. Синтезуються бактеріями й грибами.

Структура і властивості.

До каротиноїдів відносяться три групи сполук:

1) оранжеві чи червоні каротиноїди (С₄₀Н₅₆);

2) жовті ксантофіли (С₄₀Н₅₆О₂);

3) каротиноїдні кислоти - продукти окислення   каротиноїдів.

Каротини і ксантофіли добре розчинні у хлороформі, бензолі, сірковуглеводі, ацетоні. Каротини добре розчинні в ефірах і майже не розчиняються в спиртах; ксантофіли — навпаки.

Усі каротиноїди - полієнові сполуки. Каротиноїди перших 2-х груп складаються із 8 залишків ізопрену (ланцюг кон’югованих подвійних зв'язків). Каротиноїди можуть бути ациклічними (аліфатичними), моно- і біциклічними. Цикли на кінцях молекул каротиноїдів є похідними іонона.

Ациклічний каротиноїд ® лікопін. Циклічні - b-каротин та a-каротин. При гідролізі b-каротину по центральному подвійному зв’язку утворюється  2 молекули ретинолу.

Основні каротиноїди вищих рослин і водоростей — b-каротин, лютеїн, віолаксантин, неоксантин.

Спектри поглинання каротиноїдів характеризуються двома смугами у фіолетовій і синій ділянках від 400 до 500 нм.

Каротиноїди, як і хлорофіли, нековалентно зв'язані з білками і ліпідами мембран.

Роль каротиноїдів у процесах ф/с.

Каротиноїди — обов'язкові компоненти пігментних систем усіх фотосинтезуючих організмів. Головні їхні функції це:

1) участь у поглинанні світла в якості додаткових пігментів;

2) захист молекули хлорофілу від незворотного фотоокислення;

 Можливо приймають участь у кисневому обміні при ф/с.

В модельних дослідах показана висока ефективність переносу Е світла від каротиноїдів до хлорофілу. Вони поглинають енергію, якої найбільше (480-530 нм) в сумарному спектрі сонячної радіації. Цілим рядом експериментів (біохімічними у пробірках, і на безкаротиноїдних мутантах) доведена захисна роль каротиноїдів. Вони захищають молекули хлорофілів від руйнування (окислення).

У світлочутливих “очках” одноклітинних і на верхівках пагонів вищих рослин каротиноїди, контрастуючи на світло, сприяють визначенню його напрямку. Каротиноїди обумовлюють колір пелюсток і плодів деяких рослин (у більшості випадків це залежить від вакуольних антоціанів).

·                      Світлова фаза фотосинтезу

У світловій фазі ф/с відбувається поглинання світла молекулами хлорофілу а за участю додаткових пігментів і трансформація Е світла у хімічну Е АТФ та відновленого НАД(Ф)Н. Це складна система фото-фізичних-хімічних реакцій, яка відбувається на мембранах хлоропластів. 

До складу ламел хлоропластів входять 5 багатокомпонентних білкових комплексів: світлозбираючий, фотосистеми I та II, цитохромний (що беруть участь у міграції енергії) і АТФ-азний (що бере участь у синтезі АТФ).

 Міграція Е і транспорт е^-

Дві фотосистеми

Квантовий вихід ф/с — це кількість виділеного О₂, або зв'язаного СО₂ на 1 квант поглинутої Е. Використовуючи диференційне центрифугування у градієнті густини сахарози вдалося виділити й вивчити білкові комплекси ФС I і ФС II.

Компоненти електронтранспортного ланцюга у хлоропластах

 Зв’язуючою ланкою між ФСI і ФСII служать пул пластохінонів, білковий цитохромний комплекс в₆-f  і пластоціанін. 

ФС I виникла раніше. У бактерій Ф/С здійснюється без розкладу Н₂О і виділення О₂ (фоторедукція). Донорами е^- служать сполуки Н₂S,  Н₂, СН₄.

Антенні комплекси й міграція енергії

Вияснено, що на кожен реакційний центр (РЦ) припадає 200-400 молекул хлорофілу, які поглинають світло і передають Е на РЦ. Молекули хлорофілу а, а також хлорофілу в, каротиноїди, фікобіліни — входять до складу світлозбираючих комплексів (СЗК). Із ламел хлоропластів виділено світлозбираючий білковий комплекс із хлорофілами а і в (СЗК а-в), тісно пов’язаний з ФСІІ, і антенні комплекси, які безпосередньо входять у ФСІ і ФСІІ (фокусуючі антенні комплекси фотосистем). Половину білків тилакоїдів і коло 60 % загальної кількості хлорофілів локалізовано в таких комплексах.

Антенний білковий комплекс ФСII містить 40 молекул хлорофілів а_670-683  на один П₆₈₀ і b-каротин. Антенний білковий комплекс ФСI  складається із хромопротеїнів, які містять 110 молекул хлорофілів а_680-695  на один П_700, а також b-каротин.

Хромопротеїни антенних комплексів не мають фотохімічної й ферментативної активності. Роль антенних комплексів полягає в тому, щоб збирати й передавати Е квантів на невелику кількість молекул реакційних центрів П₆₈₀ і П₇₀₀, які і здійснюють фотохімічні реакції.

Передача (міграція) Е по пігментах антенних комплексів відбувається  за принципом індуктивного резонансу.

Умовами для резонансного переносу Е електронного збудження служать малі відстані між молекулами (не >10 нм) і перекриття частот коливань у 2-х сусідніх молекул. Міграція Е здійснюється від короткохвильових пігментів до більш довгохвильових, тобто до пігментів із більш низьким рівнем синглетного збудженого стану.

В антенних комплексах перенос Е здійснюється по ряду: каротин (400-550 нм) ® хл. в (650 нм) ® хл. а (660-675) ® П₆₈₀ (ФСII). Швидкість резонансного переносу Е від молекули до молекули = 10^-10с. При цьому, ефективність переносу між молекулами хлорофілу досягає 100%, а між молекулами каротину і хлорофілу – лише 40%.

Реакційні центри

Білки, які містять довгохвильові форми хлорофілів (П₇₀₀ ФСI  і П₆₈₀ ФСII) у кількості 1 молекула на 200-400 молекул інших хлорофілів і які здатні до первинного фотохімічного розподілу зарядів, називають реакційними центрами (РЦ).

Первинний розподіл зарядів у РЦ відбувається між молекулами хлорофілової природи і пов'язаний  з транспортом е^-.

Порядок реакцій  у цих процесах визначається тривалістю того чи іншого стану молекул. Молекули знаходяться в синглетному збудженні 10^-10с. Від первинних донорів (П*₆₈₀ або П*₇₀₀) первинні акцептори (Фф або А₁ відповідно) отримують електрони за 10^-12с.

Час зворотних рекомбінацій від Фф^- на П⁺_680,  і від А^-₁ до П⁺₇₀₀ набагато довший - ~10^-6 с. Те  ж відноситься і до подальших пар взаємодіючих молекул. Тому весь хід різко зсунутий вправо. 

Т. ч., в РЦ енергія збудженого стану хлорофілу перетворюється в енергію розділених зарядів, тобто, перетворюється у хімічну Е.

Нециклічний і циклічний транспорт е^-.

Ґрунтуючись на власних дослідженнях та літературних даних, Хіллом, Бендаллом і Дюйзенсом була запропонована схема нециклічного транспорту е^- (Z - схема).

У ФСII димер П₆₈₀ поглинає Е двох квантів короткохвильового світла і переходить у синглетний збуджений стан. Далі віддає 2е^- феофетину (Фф), від якого електрони, гублячи Е, переходять до пластохінонів ФСII – Q_А і Q_В, далі на пул ліпідорозчинних пластохінонів (РQ), які переносять через ліпідну фазу мембран електрони і протони, далі на залізосірчаний білок FeS_R і цитохром f, відновлюючи Сu-вмісний білок пластоціанін (Пц).

Вакантні місця в П*₆₈₀ заповнюються двома е^- від переносника е^- Z , який відновлюється з участю системи S. Окислений білковий комплекс S зв'язує воду і відновлюється за рахунок  е^- води. Для здійснення цих реакцій необхідна присутність Mn, Cl^-, Ca²⁺.

Описаний ланцюг реакцій різко сповільнюється, коли ФС I не збуджена, бо весь Пц відновлюється. При збудженні П₇₀₀ двома квантами довгохвильового червоного світла (ФСI), 2 е^- захоплюються А₁, а потім послідовно передаються переносниками е^- А₂ і А_В фередоксину й фередоксин:НАДФ-оксидоре- дуктазі. Редуктаза відновлює НАДФ⁺.

На вакантні місця в П*₇₀₀ переходять е^-  з Пц.  Z-схема переконливо пояснює ефект посилення Емерсона. Е, яка звільняється при передачі е^- із П₆₈₀ на П₇₀₀ використовується для синтезу АТФ з АДФ та неорганічного фосфату (фотофосфорилювання).

Таким чином, при нециклічному транспорті е^-  бере участь ФС IІ, комплекс цитохромів в₆- f  і ФС I; при цьому відновлюється НАДФ⁺ та синтезується АТФ.

Циклічний транспорт е^-  включає в себе тільки ФС I і комплекс цитохромів в₆- f. У цьому випадку збуджені молекули П*₇₀₀ послідовно віддають е^-  на А₁ , А₂ і А_В, Фд, РQ, FeS_R, цитохром-f, Пц і, в кінці,  на П₇₀₀. Цикл замикається. При цьому НАДФ⁺ не відновлюється. Звільнена Е використовується тільки для фосфорилювання АДФ.

Фотофосфорилювання

Фотофосфорилювання – це процес утворення АТФ, пов'язаний з індукованим світлом транспортом е^- по ЕТЛ хлоропластів. Механізм фотофосфорилювання АДФ, спряжений з діяльністю електронтранспортного ланцюга, пояснює хеміосмотична теорія англ. біохіміка П. Мітчела. Суть її у наступному.

Ланцюг переносників е^- і Н⁺ діє таким чином, що трансмембранний перенос е^- і Н⁺ в одну сторону чергується з переносом у зворотну сторону лише е^-. В результаті діяльності такої Н⁺-помпи по одну сторону мембрани накопичується надлишок Н⁺ і виникає електрохімічний потенціал іонів  Н⁺, який є формою запасання Е. Зворотній пасивний тік  іонів Н⁺ можливий лише через протонний канал СF₀ Н⁺-АТФази (спряжений фактор СF₁) і супроводжується утворенням високоенергетичного фосфатного зв'язку АТФ.

Т.ч., на внутрішній стороні тилакоїдної мембрани під впливом світла збуджуються П₇₀₀ і П₆₈₀. 2 електрони  від П₆₈₀ захоплюються акцепторами на зовнішній стороні і передаються на окислену форму РQ, що виконує функцію човника. 2РQ дифундують до цитохромного комплексу і захоплюють із строми 2Н⁺. Електрони з 2РQН₂ поступають на ланцюг: FeS_R ® цитохром-f ® Пц ® П₇₀₀, а іони Н⁺ попадають в порожнину тилакоїда.

Друга пара Н⁺ звільняється тут же при фотоокисленні води. В ФС І електрони з П₇₀₀ захоплюються акцептором А, передаються фередоксину і НАДФ⁺ на зовнішній стороні мембрани, причому 1 Н⁺ із зовнішнього середовища використовується на відновлення НАДФ⁺. Отже, із зовнішнього середовища тилакоїда зникають, а у внутрішньому появляються протони. Таким чином утворюється електрохімічний потенціал іонів Н⁺, який використовується при нециклічному фотофосфорилюванні.

При циклічному фотофосфорилюванні е^- від Фд поступають на цитохромний комплекс із використанням пула РQ, який діє як переносник Н⁺ і е^-. Потім е^- через цитохром-f і Пц повертаються на основний енергетичний рівень у П₇₀₀, а протони надходять у порожнину тилакоїда. Створений таким чином електрохімічний потенціал іонів водню згодом забезпечує синтез фосфатного зв’язку АТФ на СF₁.

·                      Шлях вуглецю (темнова фаза ф/с).

В результаті фотохімічних реакцій у хлоропластах утворились АТФ і НАДФН. Однак самі по собі ці продукти світлової фази не здатні відновити СО₂ і, очевидно, темнова фаза ф/с — складний процес із великою кількістю реакцій. В даний час відомі С₃-, С₄- шляхи фіксації СО₂, фотосинтез по типу товстянкових (САМ-метаболізм) і фотодихання.

С₃-шлях ф/с (цикл Кальвіна).

Американському біохіміку Кальвіну і його співробітникам за допомогою міченого ¹⁴СО₂ вдалося виявити первинний продукт ф/с. Ним виявилася 3-фосфогліцеринова кислота (ФГК). Потім ними ж було виявлено первинний акцептор СО₂ – рибульозо-1,5-дифосфат і всі інші реакції С₃-шляху ф/с. Цикл Кальвіна складається з трьох етапів: карбоксилювання, відновлення та регенерація.

1. карбоксилювання:

1) рибульозо-5-фосфат з участю АТФ фосфорилюється і перетворюється на рибульозо-1,5-дифосфат – фосфорибульозокіназа;

2) поглинається СО₂, що приєднується до рибульозо-1,5-дифосфату — рибульозо-дифосфаткарбоксилаза. Отриманий продукт зразу розкладається на 2 молекули 3-фосфогліцеринової к-ти, при цьому засвоюється вода.

2. відновлення:

3) 3-ФГК перетворюється на 1,3-дифосфогліцеринову кислоту — фосфогліцераткіназа+АТФ;

4) 1,3-диФГК за рахунок водню НАДФН₂ і тріозофосфатдегідрогенази відновлюється й утворює 3-фосфогліцериновий альдегід;

3. регенерація первинного акцептора диоксиду вуглецю і синтез кінцевого продукту ф/с. В результаті вищеописаних перетворень при фіксації 3 молекул СО₂ і утворенні 6 молекул відновлених фосфотріоз, 5 із них ідуть на регенерацію рибульозо-5-фосфата, а одна – на синтез глюкози:

5) 3-ФГА під дією ферменту тріозофосфатізомерази перетворюється на фосфодіоксіацетон;

6) 3-ФГА і фосфодіоксіацетон конденсуються – альдолаза – з утворенням фруктозо-1,6-дифосфата;

7) від фруктозо-1,6-дифосфату відщеплюється 1 фосфат і утворюється фруктозо-6-фосфат  - гексозофосфатаза.

В результаті діяльності транскетолази та трансальдолази із 3-ФГА, фосфодіоксіацетону та фруктозо-6-фосфату через ряд перетворень утворюються 2 молекули ксилульозо-5-фосфату та рибозо-5-фосфат (8-11 реакції).

Рибозо-5-фосфат з участю ізомерази та 2 молекули ксилульозо-5-фосфату з участю епімерази перетворюються на 3 молекули рибульозо-5-фосфату (12 і 13 реакції). З цих трьох молекул  рибульозо-5-фосфату починається новий цикл фіксації СО₂;

14) із шостої молекули 3ФГА під дією альдолази синтезується (при повторенні циклу) молекула фруктозо-1,6-дифосфату, із якої можуть утворюватися глюкоза, сахароза або крохмаль.

Лише 2 реакції у ф/с циклі є специфічними для фотосинтезуючих рослин, це - перша і друга. Таким чином, першим продуктом ф/с є ФГК, а кінцевим – фруктозо-6-фосфат.

С₄—шлях ф/с (цикл Хетча і Слека).

Цілим рядом досліджень 60-х рр. було відкрито С₄-шлях вуглецю в ф/с.

До групи рослин із С₄-шляхом ф/с відносяться цукрова тростина, кукурудза, сорго, амарант, лобода та інші. Листки цих рослин містять 2 типи хлоропластів: звичайні хлоропласти в клітинах мезофілу і великі хлоропласти, часто без гран, із клітин обкладки провідних пучків.

СО₂ через продихи попадає в цитоплазму клітин мезофілу і вступає в реакцію з фосфоенолпіруватом (ФЕП) при участі ФЕП-карбоксилази, утворюючи щавлевооцтову кислоту (оксалоацетат).

Далі в хлоропластах щавлевооцтова кислота відновлюється до яблучної к-ти (малату).

Далі малат переноситься в хлоропласти клітин обкладки судинного пучка, де він декарбоксилюється малик-ензимом (малатдегідрогеназою декарбоксилюючою) до пірувату і СО₂. При цьому утворюється НАДФН.

 СО₂, який утворився при окислюючому декарбоксилюванні малату (чи аспартату) приєднується до рибульозо-дифосфату з наступним утворенням 3ФГК — тобто в цих хлоропластах фіксація СО₂ здійснюється по типу циклу Кальвіна.

Утворений піруват поступає назад у хлоропласти клітин мезофілу, де може знову перетворюватися в первинний акцептор СО₂ - ФЕП.

Така компартментація процесів дозволяє рослинам із С₄-шляхом здійснювати ф/с навіть при закритих продихах, так як хлоропласти клітин обкладки використовують малат (аспартат), який утворився раніше, як донор СО₂. С₄-рослини можуть також використовувати СО₂, утворений під час фотодихання. Закриття продихів у найжаркіший час скорочує втрати води за рахунок транспірації. Ефективність використання води у С₄-рослин у два рази вища чим у С₃-рослин.  С₄-рослини стійкі до засолення, тому мають переваги у посушливих та засолених місцях.

Ф/с по типу товстянкових (сукулентів).

Для сукулентів характерний добовий цикл метаболізму С₄ кислот з утворенням яблучної кислоти вночі. Цей тип ф/с часто називають САМ-метаболізм.

Уночі СО₂ поступає в листки, де при участі ФЕП-карбоксилази в цитоплазмі взаємодіє з ФЕП, утворюючи оксалоацетат. Оксалоацетат відновлюється до яблучної кислоти (НАДН-залежна малатдегідрогеназа), яка накопичується у вакуолях.

Вдень, коли продихи закриті, малат транспортується з вакуолі у цитоплазму, і там декарбоксилюється (малик-ензим) з утворенням СО₂ і пірувату. СО₂ поступає в хлоропласти і включається в цикл Кальвіна.

Таким чином, при САМ-метаболізмі фіксація СО₂ з утворенням малату (вночі) та декарбоксилювання малату з вивільненням СО₂ і пірувату (вдень) розділені у часі. У С₄-рослин ці ж процеси розділені у просторі.

Фотодихання і метаболізм гліколевої кислоти

Фотодихання (Ф/д) — це активований світлом процес вивільнення СО₂ і поглинання О₂, але відрізняється від дихання мітохондрій. У функціональному плані до дихання цей процес прямого відношення не має.

Рибульозодифосфаткарбоксилаза в хлоропластах може функціонувати як оксигеназа, каталізуючи окислююче розщеплення рибульозодифосфату на 3-ФГК і 2-фосфогліколеву к-ту. Молекули О₂ і СО₂ конкурують між собою в каталітичному центрі рибульозодифосфаткарбоксилазиоксигенази.

Ф/д здійснюється в результаті взаємодії трьох органел – хлоропластів, мітохондрій і пероксисом.

Гліколат із хлоропласта поступає в пероксисому і там окислюється до гліоксилату, який амінується і перетворюється в гліцин.

Гліцин транспортується в мітохондрію. Тут із двох молекул гліцину утворюється серин і звільняється СО₂. Серин може знову поступати в пероксисому і там передавати свою аміногрупу на піруват. Із пірувату виникає аланін, а із серину – гліцерат. Гліцерат може знову потрапити в хлоропласти і включитися в цикл Кальвіна.

 Т.ч. існують різні шляхи відновлення СО₂: С₃- і С₄- шляхи, САM-метаболізм і фотодихання.

·                      Ендогенні механізми регуляції ф/с.

Регуляція ф/с здійснюється на рівні ферментів, мембран, хлоропластів, клітин, тканин, органів і цілої рослини.

Регуляція на рівні листка (л).

Головні функції листка: ф/с, транспірація й синтез органічних речовин.

Повітряному живленню сприяє пластинкова форма листка і його внутрішня будова. Ф/с здійснюється в хлоропластах. При переході до ф/с тут відбувається ряд змін. Уже при хвилинному освітленні вони змінюють об'єм, стають більш плоскими. Тилакоїди і грани зсуваються й ущільнюються.

Хлоропласти більшості рослин здатні переміщуватися в клітині в залежності від інтенсивності світла. Це відбувається завдяки діяльності скоротливих білків, пов'язаних з оболонкою хлоропласта.

Індукований світлом транспорт протонів усередину тилакоїдів приводить до підкислення їх внутрішнього вмісту до рН-5,0 і одночасному збільшенню рН строми до 8,0.

Поява НАДФН, АТФ, О₂, Мg²⁺ і зміна рН мають прямий і опосередкований вплив на ф/с реакції, більшість ферментів  яких не активні при рН<7,2; або без певних речовин чи іонів. Збільшення рН приводить також до значного зв'язування СО₂. Фіксація СО₂ перш за все регулюється світлом, яке активує ферменти циклу Кальвіна. Ключовий фермент циклу Кальвіна – РДФ-карбоксилаза, крім світла, активується фруктозо-6-фосфатом і інгібується 6-фосфоглюконатом, фруктозо-1,6-дифосфатом.

Підвищення концентрації О₂ в стромі може привести до зниження інтенсивності фіксації СО₂ за рахунок посилення ф/д.

Великий вплив на клітину і її метаболізм мають АТФ, НАДФ і асиміляти, що утворилися в хлоропластах. Тут відбувається синтез сахарози, крохмалю та інших органічних речовин.

При перевантаженні тканин листка асимілятами інтенсивність ф/с знижується. А переповнення крохмалем пластид викликає зворотні, а згодом і незворотні зміни в стромі хлоропластів.

Однак збагачення тканин листка цукрами підвищує функціональну активність провідних пучків. Теоретично існує 2 способи транспорту асимілятів до провідних пучків: по симпласту (через плазмодесми й цитоплазми ряду клітин) і по апопласту (по клітинних стінках). В більшості рослин цей транспорт здійснюється по апопласту, де може накопичуватися 1/5 частина цукрів листка.

Під дією світла зміни відбуваються не лише у клітинах мезофілу, але й у продихах. На світлі продихи більшості рослин широко відкриті, а в темноті — закриваються. Виключення — товстянкові. Це пов'язано з роботою ф/с-го апарату в замикаючих клітинах. Тут включається механізм Н⁺-помпи, посилюється поглинання К⁺ і синтез малату, в результаті чого зростає внутрішньоклітинний осмотичний тиск і продихи відкриваються. Ширина продихових щілин збільшується і при зменшенні  вмісту СО₂ у міжклітинниках.

Збільшення відкриття продихів приводить до посилення транспірації і більш інтенсивному надходженню води й речовин по ксилемі з коренів у листки, що необхідно для нормальної діяльності клітин мезофілу.

Регуляція на рівні цілої рослини.

В рослинному організмі існує система інтеграції складних зв'язків процесу ф/с із усіма іншими функціями рослини.

Процеси онтогенезу забезпечують постійне існування атрагуючих зон. В атрагуючих центрах відбувається або новоутворення й ріст структур, або інтенсивний органонаправлений синтез запасних речовин. В обох випадках стан атрагуючих центрів визначає величину попиту на продукти ф/с. І якщо зовнішні умови не лімітують ф/с, то провідна роль у його детермінації належить атрагуючим центрам.

У всіх цих процесах важливу роль відіграють фітогормони, інгібітори. Фітогормони діють на ф/с дистанційно (в результаті регулювання процесів росту та розвитку ® епігенезу) та прямо (через зміни стану мембран). Доведена роль цитокініну в біогенезі хлоропластів, синтезі хлорофілу і ферментів циклу Кальвіна.

·                      Екологія ф/с

Під екологією ф/с розуміють залежність продуктивності ф/с від факторів зовнішнього середовища.  Вплив цих факторів і адаптація до них рослин дуже суттєві для рослинництва.

Вплив факторів зовнішнього середовища.

Світло

Листки поглинають 80-85% фотосинтетично активної променистої Е (400 -700 нм) і коло 55 % від Е загальної радіації. На ф/с витрачається коло 1,5-2%.

Залежність швидкості ф/с від інтенсивності світла має форму логарифмічної кривої. Пряма залежність швидкості процесу від притоку Е спостерігається лише при низьких інтенсивностях світла. У багатьох світлолюбивих рослин максимальна інтенсивність ф/с спостерігається при освітленості, яка = 1/2 повної сонячної (світлове насичення). Тіневитривалі рослини активніше використовують низькі інтенсивності світла. У них світлове насичення ф/с досягається при 1-2 тис. лк, а у світлолюбивих деревних рослин – при 10-40 тис. люкс.

У ділянці світлового насичення інтенсивність ф/с значно вища інтенсивності дихання. Рівень освітлення, при якому поглинання СО₂ в процесі ф/с урівноважується виділенням СО₂ в процесі дихання, називається світловим компенсаційним пунктом.

Крім інтенсивності для процесу ф/с важливим є і якісний склад світла. Найбільша швидкість ф/с у червоних променях. Це світло завжди присутнє у прямій сонячній радіації,  а коли сонце стоїть низько, то переважає Е черв. св. – оптимальна для переходу молекули хлорофілу у збуджений стан. Синє світло має значно більше Е, а інфрачервоне – недостатньо.

Вміст диоксиду вуглецю

СО₂ є основним субстратом ф/с, його вміст визначає інтенсивність процесу. Концентрація СО₂ в атмосфері = 0,03%. При цій концентрації  інтенсивність ф/с складає лише 50% від максимальної, яка досягається при зростанні СО₂ в повітрі до 0,3%.

Це дає можливість для підгодовування С₃-рослин у закритих приміщеннях з метою отримання більшого врожаю. У С₄-рослин таке підгодовування нічого не дає, так як у них існує особливий механізм концентрування СО₂.

Температура

Первинні фотофізичні процеси ф/с (поглинання й міграція Е) не залежать від температури. Дуже чутливі до t процеси фотосинтетичного фосфорилювання. Для ферментативних реакцій відновлення вуглецю Q₁₀=2-3.

Загальна залежність ф/с від t відображається одновершинною кривою. Ця крива має три кардинальні температурні точки: мінімальну, при якій починається ф/с, оптимальну і максимальну.

Нижня температурна границя ф/с у рослин північних широт знаходиться в межах -15^°-1^°С, а у тропічних – +4^° - +8^°С. У рослин помірного поясу в інтервалі 20-25^°С досягається макс-а інтенсивність ф/с, а дальше зростання t^о приводить до гальмування процесу (особливо після 40^оС). Деякі рослини пустель здатні здійснювати ф/с при 58^оС.

Водний режим

Вода безпосередньо бере участь у ф/с як субстрат окислення й джерело кисню. Величина оводненості листків визначає ступінь відкриття продихів і надходження СО₂. При повному насиченні водою і в засушливий період продихи закриваються. Тривала засуха інгібує всі процеси ф/с. Максимальний ф/с спостерігається при невеликому водному дефіциті (5-20%).

Мінеральне живлення

Для нормальної роботи ф/с-го апарату рослина повинна бути забезпечена всім комплексом макро- і мікроелементів. Повітряна й коренева системи живлення тісно взаємопов'язані. Мінеральні елементи входять до складу ф/с-го апарату, чим і визначається їх роль.

Mg входить до складу хлорофілу, бере участь у діяльності ферментів синтезу АТФ, НАДФ, карбоксилювання;

Fe необхідне для б/с хлорофілів, цитохромів, фередоксину;

Mn i Cl необхідні для фотоокислення води;

Cu входить до складу пластоціаніну;

нехватка N впливає на формування пігментних систем, активність РДФ-карбоксилази й ін. ферментів;

нестача Р порушує світлові й особливо темнові реакції ф/с і дуже пригнічує ростові процеси;

зменшення вмісту К приводить до порушення всіх процесів ф/с, роботи продихового апарату, водного режиму. 

Кисень

Процес ф/с звичайно здійснюється в аеробних умовах при концентрації О₂ 21%. Звичайний вміст О₂ перевищує оптимальну для ф/с величину. Високі конц-ї О₂ (23-30%) знижують ф/с і активізують фотодихання, зменшує активність РДФ-карбоксилази. Відсутність кисню для ф/с несприятлива.

Добові і сезонні ритми ф/с

Інтенсивність ф/с зростає із сходом сонця і досягає найбільших величин коло 9-12 год. В похмурі не спекотні дні такою вона залишається і далі. В жаркі дні, коли t листків зростає, а оводненість зменшується, інтенсивність ф/с падає. Нерідко о 16-17 год.  спостерігається повторне посилення процесу. Інтенсивність ф/с падає після 22 год.  із заходом сонця.

Сезонні зміни залежать від кліматичної зони росту рослин. У пустелях усі коливання визначаються особливостями онтогенезу. В ефемерів максимальна активність ф/с спостерігається в кінці березня, на початку квітня і співпадає з початком плодоношення. У рослин, які закінчують вегетацію на початку літа, в цей період спостерігається максимальний ф/с. У тих, які довго вегетують, сезонний максимум припадає перед початком посухи. В арктичних рослин інтенсивність ф/с менша на початку і в кінці вегетації, коли часті заморозки.

Продуктивність рослин

Найвищі врожаї можуть бути забезпечені створенням наступних оптимальних умов:

1.                     збільшення листкової поверхні у посівах;

2.                     продовження часу активної роботи я/с апарату на протязі доби і вегетаційного періоду (підтримка агротехнікою та мін. добривами);

3.                     високою продуктивністю я/с, максимальними добовими приростами сухої речовини;

4.                     максимальним притоком продуктів ф/с у гоподарсько важливі органи.

Для отримання високих врожаїв необхідна селекційно-генетична робота, направлена на збільшення інтенсивності ф/с, швидкості відтоку асимілятів, на зростання чистої продуктивності ф/с.

·                      Космічна роль рослин

Фотосинтез - єдиний процес на Землі, який іде в грандіозних масштабах і зв'язаний з перетворенням Е сонячного світла в Е хімічних зв'язків. Ця космічна Е, накопичена зеленими рослинами, складає основу для життєдіяльності всіх інших гетеротрофних організмів на Землі від бактерій до людини.

Виділяють 5 аспектів космічної та планетарної  ролі рослин.

1. Нагромадження органічної маси.

В процесі ф/с наземні рослини утворюють 100-170 млрд. т, а рослини океанів — 60-70 млр. т біомаси в рік (у перерахунку на суху речовину). Загальна маса рослин на Землі дорівнює 2 400 млр. т (90%-це целюлоза). Загальна маса тварин і м/о - 23 млрд. т, що становить коло 1% від рослинної біомаси.

За час існування на Землі органічні залишки живого накопичувалися й модифікувалися. На суші вони представлені у вигляді підстилки, гумусу і торфу, із яких при певних умовах у товщі літосфери формувалося вугілля.

В океанах органічні рештки входили до складу осадових порід. При опусканні в глибинні шари літосфери з цих залишків утворилися газ і нафта.

Маса органічної речовини підстилки, торфу й гумусу оцінюється в 190, 220, 2 500 млрд. т відповідно, нафти й газу — 10 000-12 000 млрд. т, а осадових порід — 20 000 000 млрд. т.

Особливо інтенсивне накопичення мертвих органічних залишків відбувалося 300 млн. років тому в палеозойську еру.

2. Забезпечення  сталого вмісту СО₂ в атмосфері.

Утворення  порід у величезних масштабах виводило значну кількість СО₂ із кругообігу вуглецю. В атмосфері ставало все менше СО₂ і тепер його кількість становить лише 0,03% (711 млрд. т). В кайнозойській ері вміст диоксиду вуглецю в атмосфері стабілізувався й спостерігалися лише сезонні його коливання.

Ця стабілізація досягається збалансованим зв'язуванням (ф/с) і вивільненням СО₂, що здійснюється в глобальному масштабі. Щорічне надходження СО₂ в атмосферу обумовлено: диханням рослин - 10; диханням і бродінням м/о - 25; диханням тварин і людей - 1,6; виробничою діяльністю - 5; геохімічними процесами – 0,1 млрд. т. (разом  біля 41,7 млрд. т).

Потужним резервом диоксиду вуглецю є Світовий океан, у водах якого знаходиться в 60 разів більше СО₂, ніж в атмосфері.

Таким чином, ф/с з однієї сторони, дихання організмів і карбонатна система океану з іншої, підтримують відносно сталий рівень СО₂ у повітрі.

В останні роки спостерігається збільшення вмісту СО₂ в атмосфері на 0,23% щорічно.

3. Парниковий ефект.

Вуглекислий газ і вода поглинають інфрачервоне випромінювання сонця і, таким чином, зберігають значну кількість тепла на Землі (парниковий ефект). Як згадувалося вище, живі організми постачають 85% СО₂, який щорічно поступає в атмосферу.

Тенденція до зростання вмісту СО₂ може привести до зростання середньої температури на поверхні Землі, що може мати негативний вплив на довкілля. Однак, можливо, що це приведе до посилення ф/с, який ліквідує надлишок СО₂. Таким чином рослини нівелюють небажані наслідки парникового ефекту.

4. Накопичення кисню в атмосфері.

Спочатку кисень був присутній в атмосфері у слідових кількостях, тепер він складає 21%. Поява й накопичення О₂ у повітрі пов'язана з діяльністю зелених рослин. Щорічно вони постачають в атмосферу 70-120 млрд. т О₂. Цей кисень необхідний для дихання всіх живих організмів.

5. Озоновий екран.

Важливий результат виділення рослинами кисню – утворення озонового екрана у верхніх шарах атмосфери на висоті 25 км.

   Озон (О₃) утворюється в результаті фотодисоціації молекули О₂ під дією сонячної радіації. Озон затримує більшу частину ультрафіолетових променів (240-290 нм), які згубно впливають на все живе.

Руйнування озонового екрану – серйозна проблема охорони біосфери.