Фотосинтез: световая и темновая фазы, пигменты, хлоропласт

Фотосинтез — одна из самых нагруженных тем ЕГЭ по биологии: она встречается в заданиях на выбор утверждений, на соответствие, на последовательность и в задачах второй части. Почти все ошибки в этой теме возникают от того, что процесс заучивают кусками: «на свету образуется кислород», «в темноте образуется глюкоза». В статье фотосинтез разобран системно: что поглощает свет, где идёт каждый этап, откуда берутся электроны, протоны и кислород, на что расходуются АТФ и НАДФ·Н, от чего зависит скорость процесса и как это доказали.

• 1. Определение и суммарное уравнение
• 2. Пигменты и свет
• 3. Хлоропласт
• 4. Световая фаза
• 5. Темновая фаза: цикл Кальвина
• 6. Связь двух фаз
• 7. Факторы, влияющие на фотосинтез
• 8. С₃-, С₄- и САМ-растения
• 9. Фотосинтез и дыхание
• 10. Типичные ошибки
• 11. Для олимпиад
• Задания с разбором

1. Определение и суммарное уравнение

Фотосинтез — синтез органических веществ из углекислого газа и воды за счёт энергии света. У растений, водорослей и цианобактерий при этом выделяется кислород. Суммарное уравнение:

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ (на свету, при участии хлорофилла)

Уравнение показывает итог, но не механизм. В нём не видно, что кислород образуется из воды, а не из углекислого газа, и что процесс идёт в две фазы, в разных частях хлоропласта.

Значение фотосинтеза:

1. Он создаёт органическое вещество, которым питаются почти все живые организмы (кроме хемосинтетиков и тех, кто питается ими).
2. Он превращает энергию света в химическую энергию органических веществ: глюкоза и кислород, которые образуются при фотосинтезе, вместе запасают энергию, выделяющуюся затем при окислении глюкозы до CO₂ и воды.
3. Он поддерживает содержание кислорода в атмосфере; из кислорода в верхних слоях атмосферы образуется озоновый слой, защищающий от ультрафиолета.
4. Он извлекает углекислый газ из атмосферы, участвуя в круговороте углерода.

Фотосинтезирующие организмы — автотрофы (точнее, фототрофы). Хемосинтетики (нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии) тоже автотрофы, но получают энергию от окисления неорганических веществ.

2. Пигменты и свет

Свет поглощают пигменты, встроенные в мембраны тилакоидов хлоропласта.

Хлорофилл почти не поглощает зелёный свет, а отражает и пропускает его — поэтому листья зелёные. Молекула хлорофилла состоит из плоского порфиринового кольца с атомом магния в центре и длинного «хвоста» из спирта фитола, которым она закреплена в мембране. Поэтому при недостатке магния листья желтеют (хлороз).

Пигменты организованы в фотосистемы. Каждая фотосистема состоит из светособирающего комплекса (сотни молекул пигментов, которые поглощают свет и передают энергию друг другу, как антенна) и реакционного центра — особой пары молекул хлорофилла a, которая отдаёт возбуждённый электрон. В хлоропластах две фотосистемы:

• фотосистема II — реакционный центр P680 (наиболее сильно поглощает свет с длиной волны 680 нм); связана с разложением воды;
• фотосистема I — реакционный центр P700; связана с восстановлением НАДФ⁺.

Номера фотосистем отражают порядок открытия, а не порядок работы: электроны проходят сначала через фотосистему II, затем через фотосистему I.

3. Хлоропласт

Хлоропласт — двумембранный органоид. Внутреннее пространство заполнено стромой — гелеобразным раствором ферментов. В строме находятся тилакоиды — плоские мембранные мешочки. Стопки тилакоидов называют гранами, грани соединены тилакоидами стромы (ламеллами). Внутреннее пространство тилакоида — люмен.

В хлоропласте есть собственная кольцевая ДНК и рибосомы прокариотического типа — свидетельство происхождения хлоропластов от цианобактерий (подробнее — в статье о симбиогенезе).

4. Световая фаза

Световая фаза идёт на мембранах тилакоидов и только на свету. Её задача — превратить энергию света в энергию двух соединений: АТФ и восстановленного переносчика НАДФ·Н (в школьных учебниках его часто записывают как НАДФ·Н₂). Разберём по шагам.

1. Возбуждение фотосистемы II. Квант света поглощается пигментами антенны, энергия передаётся на реакционный центр P680. Электрон хлорофилла переходит на более высокий энергетический уровень и покидает молекулу — его принимает переносчик.
2. Фотолиз воды. Хлорофилл P680, потерявший электрон, — очень сильный окислитель. Он восполняет потерю, отнимая электроны у воды. Разложение воды катализирует особый комплекс с атомами марганца на стороне мембраны, обращённой в люмен:

   2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂

   Электроны идут на хлорофилл, протоны остаются в люмене, кислород выходит из клетки как побочный продукт.
3. Электрон-транспортная цепь. Электрон от фотосистемы II проходит по цепи переносчиков в мембране к фотосистеме I. Энергия электрона при этом используется для переноса протонов из стромы в люмен.
4. Возбуждение фотосистемы I. Свет возбуждает P700, его электрон уходит к белку ферредоксину, а на место ушедшего электрона приходит электрон из цепи от фотосистемы II.
5. Восстановление НАДФ⁺. Фермент на стромальной стороне мембраны переносит электроны на НАДФ⁺: НАДФ⁺ + 2e⁻ + H⁺ → НАДФ·Н.
6. Синтез АТФ. В люмене накапливается много протонов (их источники — фотолиз воды и перенос из стромы). Возникает разность концентраций H⁺: в люмене кислая среда (pH около 5), в строме — слабощелочная (около 8). Протоны возвращаются в строму через канал фермента АТФ-синтазы, и энергия этого потока используется для синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Синтез АТФ за счёт энергии света называют фотофосфорилированием.

Кроме описанного (нециклического) транспорта электронов, существует циклический: электрон от фотосистемы I возвращается в цепь переносчиков и снова к фотосистеме I. При этом образуется только АТФ, без НАДФ·Н и без выделения кислорода. Циклический транспорт позволяет хлоропласту получить дополнительный АТФ, которого цикл Кальвина требует больше, чем даёт нециклический путь.

5. Темновая фаза: цикл Кальвина

Темновая фаза идёт в строме. Её название означает, что для самих реакций свет не нужен, но они идут непрерывно в течение дня, потому что используют АТФ и НАДФ·Н световой фазы. Ночью, когда запас АТФ и НАДФ·Н исчерпан, цикл Кальвина останавливается; кроме того, свет активирует его ферменты. Поэтому «темновая» не значит «ночная».

Цикл Кальвина (цикл восстановления углерода) состоит из трёх этапов.

1. Фиксация (карбоксилирование). CO₂ присоединяется к пятиуглеродному сахару рибулозобисфосфату (РуБФ). Реакцию катализирует фермент рубиско. Образовавшееся шестиуглеродное соединение сразу распадается на две молекулы трёхуглеродной фосфоглицериновой кислоты (ФГК).
2. Восстановление. ФГК восстанавливается до трёхуглеродного сахара — триозофосфата (фосфоглицеринового альдегида). На это расходуются АТФ и НАДФ·Н световой фазы.
3. Регенерация РуБФ. Большая часть триозофосфатов используется для восстановления РуБФ, чтобы цикл продолжался; на это тоже расходуется АТФ. Из каждых шести молекул триозофосфата одна выходит из цикла и используется для синтеза глюкозы, сахарозы, крахмала, аминокислот, жиров.

Баланс цикла на одну молекулу CO₂: 3 АТФ и 2 НАДФ·Н. Для синтеза одной молекулы глюкозы нужно 6 оборотов цикла, то есть 18 АТФ и 12 НАДФ·Н.

Глюкоза, образованная в хлоропласте, не накапливается в свободном виде: часть превращается в крахмал (зёрна первичного крахмала в строме), а триозофосфаты выходят в цитоплазму, где из них синтезируется сахароза. Именно сахароза транспортируется по флоэме к другим органам.

6. Связь двух фаз

Фазы образуют замкнутый круг: световая фаза поставляет АТФ и НАДФ·Н, темновая возвращает АДФ, фосфат и НАДФ⁺. Если остановить одну фазу, вскоре остановится и другая. Например, если убрать CO₂, перестанет расходоваться НАДФ·Н, окончится запас НАДФ⁺, и электроны в световой фазе некуда будет передавать — выделение кислорода прекратится.

7. Факторы, влияющие на фотосинтез

• Освещённость. При слабом свете скорость фотосинтеза растёт пропорционально освещённости, затем рост замедляется, и наступает световое насыщение. При очень сильном свете возможно повреждение фотосистем. Освещённость, при которой фотосинтез равен дыханию (поглощение CO₂ равно его выделению), называют световым компенсационным пунктом. У теневыносливых растений он ниже, чем у светолюбивых.
• Концентрация CO₂. В воздухе около 0,04 % CO₂; при повышении до 0,1–0,3 % скорость фотосинтеза многих растений растёт. На этом основана подкормка растений углекислым газом в теплицах.
• Температура. Влияет на ферменты темновой фазы. Для большинства растений умеренного пояса оптимум 20–30 °C; при высокой температуре ферменты денатурируют, а устьица закрываются.
• Вода. При её недостатке закрываются устьица, и CO₂ перестаёт поступать в лист.
• Минеральное питание. Азот и магний входят в хлорофилл, азот — в белки-ферменты, фосфор — в АТФ и НАДФ, железо нужно для синтеза хлорофилла и входит в переносчики электронов.

Скорость процесса определяет тот фактор, который находится в недостатке, — лимитирующий фактор (принцип сформулировал Фредерик Блэкман в 1905 году). Например, при ярком свете, но низкой концентрации CO₂ увеличение освещённости ничего не даст, а добавление CO₂ ускорит фотосинтез.

8. С₃-, С₄- и САМ-растения

У рубиско есть недостаток: кроме CO₂, она может присоединять к РуБФ кислород. Тогда вместо двух молекул ФГК образуется одна ФГК и двууглеродное соединение, переработка которого требует энергии и сопровождается выделением CO₂. Этот процесс называют фотодыханием (подробнее — в статье «Фотодыхание»). Оно усиливается при высокой температуре и низкой концентрации CO₂ в листе. Некоторые растения выработали механизмы концентрирования CO₂ вокруг рубиско.

Цикл Кальвина при этом есть у всех трёх групп: С₄- и САМ-растения только добавляют к нему предварительную фиксацию CO₂ другим ферментом. Подробно о САМ-растениях — в статье «САМ-фотосинтез».

9. Фотосинтез и дыхание

Как устроено клеточное дыхание по шагам — гликолиз, цикл Кребса, дыхательная цепь и АТФ-синтаза в структурных формулах, — в статье «Клеточное дыхание: как клетка получает энергию из глюкозы».

Общее у двух процессов: в обоих работает электрон-транспортная цепь в мембране (тилакоида или внутренней мембраны митохондрии), создаётся градиент протонов, и АТФ синтезирует один и тот же по устройству фермент — АТФ-синтаза.

Растение дышит всегда, в том числе на свету. Днём фотосинтез обычно сильнее дыхания, и растение выделяет кислород; ночью идёт только дыхание, и растение поглощает кислород и выделяет углекислый газ.

Закрепить тему можно в уроках «Световая и темновая фазы фотосинтеза», «Фотосинтез и хемосинтез» и в тренажёре по теме 2.4.

10. Типичные ошибки

11. Для олимпиад

Откуда известно, что кислород — из воды

В 1941 году Сэмюэл Рубен и Мартин Кеймен давали хлорелле воду, меченную тяжёлым изотопом кислорода ¹⁸O. Метка появлялась в выделяемом кислороде. Если метку вносили в CO₂, в кислороде её почти не было. Ещё раньше Корнелис ван Ниль, изучая серобактерии, которые при фотосинтезе используют H₂S и выделяют серу, предположил: у растений роль H₂S играет вода, и кислород — аналог серы.

Реакция Хилла

В 1937 году Роберт Хилл показал, что изолированные хлоропласты на свету выделяют кислород без CO₂, если добавить искусственный акцептор электронов (соли железа(III)). Значит, выделение кислорода и фиксация CO₂ — разные процессы.

Две фотосистемы: эффект Эмерсона

Роберт Эмерсон в 1950-е годы обнаружил, что эффективность фотосинтеза резко падает в дальнем красном свете (длиннее 680 нм) — «красное падение». Если к дальнему красному добавить свет короче, скорость фотосинтеза оказывается больше суммы скоростей при каждом свете отдельно — «эффект усиления». Объяснение: две фотосистемы работают последовательно, и дальний красный свет возбуждает в основном фотосистему I.

Опыт Ягендорфа

В 1966 году Андре Ягендорф выдержал изолированные тилакоиды в кислом растворе (pH 4), чтобы люмен заполнился протонами, а затем быстро перенёс их в раствор с pH 8, добавив АДФ и фосфат. В темноте образовался АТФ. Опыт доказал, что для синтеза АТФ достаточно разности концентраций протонов, — главное подтверждение хемиосмотической теории Питера Митчелла.

Количественные оценки

Чтобы выделить одну молекулу O₂, нужно перенести 4 электрона, и каждый электрон возбуждается дважды (в двух фотосистемах), — минимум 8 квантов света. Измеренная потребность обычно 9–10 квантов.

Задания с разбором

Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.

Задание 1

Выберите три процесса, которые происходят в световой фазе фотосинтеза.

1. Фотолиз воды.
2. Присоединение CO₂ к рибулозобисфосфату.
3. Синтез АТФ.
4. Восстановление НАДФ⁺.
5. Синтез глюкозы.
6. Регенерация рибулозобисфосфата.

Задание 2

Установите соответствие между процессом и фазой фотосинтеза (А — световая, Б — темновая): 1) выделение кислорода; 2) образование ФГК; 3) возбуждение электронов хлорофилла; 4) расходование НАДФ·Н; 5) накопление протонов в тилакоиде; 6) образование крахмала.

Задание 3

Установите последовательность, в которой электрон проходит путь в световой фазе (нециклический транспорт): 1) ферредоксин; 2) молекула воды; 3) реакционный центр фотосистемы II; 4) цепь переносчиков между фотосистемами; 5) реакционный центр фотосистемы I; 6) НАДФ⁺.

Задание 4

Почему при выключении света выделение кислорода прекращается сразу, а поглощение CO₂ продолжается ещё несколько секунд?

Задание 5

Растение поместили в атмосферу без CO₂ и осветили. Через некоторое время выделение кислорода прекратилось. Объясните почему.

Задание 6

Сколько молекул АТФ и НАДФ·Н нужно для синтеза 3 молекул глюкозы в цикле Кальвина? Сколько молекул CO₂ при этом поглощается?

Задание 7

Почему листья большинства растений зелёные? Почему осенью они желтеют?

Задание 8

В теплице при ярком освещении и температуре 25 °C добавление света не увеличило урожай, а подкормка углекислым газом увеличила. Объясните.

Задание 9

Где в клетке образуются и где используются АТФ и НАДФ·Н световой фазы? Почему клетке листа нужно ещё и дыхание?

Задание 10 (олимпиадное)

В опыте Кальвина водоросль на свету снабжали ¹⁴CO₂, затем внезапно выключали свет. Как менялось содержание РуБФ и ФГК после выключения? Объясните.

Задание 11 (олимпиадное)

В опыте Ягендорфа тилакоиды выдерживали при pH 4, затем переносили в раствор с pH 8, содержащий АДФ и фосфат, в темноте. Образовался АТФ. Предскажите результат, если: а) перенести тилакоиды из pH 4 в pH 4; б) добавить вещество, делающее мембрану проницаемой для протонов.

Литература

• Медведев С. С. Физиология растений. — СПб.: БХВ-Петербург, 2013.
• Кузнецов В. В., Дмитриева Г. А. Физиология растений. — М.: Юрайт.
• Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. Биология. В 3 т. — М.: Мир.
• Hill R. Oxygen evolved by isolated chloroplasts // Nature. 1937. Vol. 139. P. 881–882.
• Jagendorf A. T., Uribe E. ATP formation caused by acid-base transition of spinach chloroplasts // PNAS. 1966. Vol. 55. P. 170–177.