Общая характеристика четырех стадий фотосинтеза, их последовательность, основные процессы, продолжительность и физиологическая значимость.

1 стадия – физическая. Включает фотофизические реакции поглощения энергии пигментами, запасания ее в виде энергии электронного возбуждения и миграции в реакционный центр. Все реакции быстрые и протекают со скоростью 10^-15 – 10^-9 с. Первичные реакции поглощения энергии локализованы в светособирающих антенных комплексах (ССК).

2 стадия – фотохимическая. Реакция происходит в реакционных центрах со скоростью 10^-9 с. На этой стадии энергия электронного возбуждения пигмента используется для разделения заряда. В этом случае электрон с высоким энергетическим потенциалом передается на первичный акцептор А и образуется система с разделенными зарядами, содержащая определенное количество энергии уже в химической форме. Окисленный пигмент восстанавливает свою структуру за счет окисления донора (Д). Образующиеся на фотохимической стадии первичные продукты очень лабильны, и электрон может вернуться к окисленному пигменту с бесполезной потерей энергии. Поэтому необходима быстрая дальнейшая стабилизация образованных восстановленных продуктов с высоким энергетическим потенциалом. Этот процесс осуществляется на следующей стадии.

3 стадия – реакции транспорта электронов. ЭТЦ организована в хлоропластах в виде трех основных функциональных комплексов: фотосистема I (ФС I), фотосистема II (ФС II), цитохром b₆ f-комплекс, обеспечивающих высокую скорость электронного потока и возможность его регуляции. В результате работы ЭТЦ образуются восстановленный ферредоксин и НАДФН, а также богатые энергией молекулы АТФ, которые используются в темновых реакциях восстановления CO₂.

4 стадия – «темновые» реакции поглощения и восстановления углекислоты. Реакции происходят с образованием углеводов, в которых запасается солнечная энергия, поглощенная и преобразованная в «световых» реакциях фотосинтеза. Скорость «темновых» ферментативных реакций – 10^-2-10^-4 с.

38. Возбуждение пигментов и передача энергии. Понятие спина, его состояния. Возбужденные состояния электронов и основные переходы между ними при поглощении кванта света молекулой хлорофилла.

Пигменты зеленого листа поглощают свет. Известны следующие законы поглощения света:1. Только свет, который поглощается, может производить химическое действие. 2. Каждый квант активирует только одну молекулу. 3. Вся энергия кванта поглощается одним электроном, который подымается на более высокий энергетический уровень.

Вероятность поглощения света зависит от длины волны и от относительной ориентации его электромагнитного поля по отношению к электронам в молекуле, которая поглощает этот свет.

На поглощение света влияет взаимное размещение электронов в атоме или молекуле; это связано с тем, что электроны обладают так называемым спином. Каждый электрон можно рассматривать как заряженную частицу, которая вращается (spining) вокруг своей оси (как Земля). С таким кручением связан момент количества движения, или спин. Величина спина всех электронов одинакова, но поскольку спин является векторной величиной, он может иметь разные направления в пространстве (в атоме имеется внутреннее магнитное поле). Поэтому возможны две ориентации, а именно, спин электрона может быть направлен параллельно или антипараллельно локальному магнитному полю. Спин – вектор магнитных моментов. Весь спин атома или молекулы является векторной суммой спинов всех электронов. Величина полного спина обозначается символом S. Количество возможных ориентаций электронного состояния в пространстве спина или молекулы – спиновая мультиплентность – выражается формулой 2S + 1, где S – величина полного спина целого атома или молекулы. Например, если S = 0, это значит, что проекция спинов всех электронов на направление магнитного поля взаимно уничтожается и величина 2S + 1 равна 1 и такое положение называется синглетным. С другой стороны, когда S = 1, то такое положение называется триплетным (2S + 1 = 3).

Синглеты и триплеты являются двумя наиболее важными спиновыми мультиплентностями, которые встречаются в биологических системах. Когда в молекуле все электроны попарно размещены на орбиталях, так что их спины направлены в противоположные стороны, полный спин молекулы будет 0 (S = 0) и молекула находится в синглетном состоянии. Основное, или невозбужденное состояние большинства молекул является синглетным, т. е. все электроны попарно размещены на орбиталях, владеющих минимальной энергией.

Когда электрон возбуждается и перемещается на другую незанятую орбиталь, возникают две возможности для спина. Спины двух электронов, размещенные на разных орбиталях, могут быть противоположно направленными – это все еще синглетное состояние. Но спины двух электронов могут быть направлены в одну сторону, и возникает триплетное состояние. Не вдаваясь в детали, отметим, что существует правило: уровень, обладающий более высокой спиновой мультиплентностью, имеет более низкую энергию. Таким образом, возбужденное триплетное состояние имеет более низкую энергию, чем соответствующее возбужденное синглетное состояние.

В основном состоянии молекула хлорофилла является синглетом, как практически, и все пигменты, имеющие значение для биологических систем.

Обычно электроны находятся на нижнем, основном, энергетическом уровне. Поглотив квант света, электрон переходит на более высокий энергетический уровень (π-орбиталь), а на основном остается электронная «дырка». Поглощенная энергия запасается в виде энергии электронного возбуждения. Это соответствует переходу молекулы в возбужденное состояние.

Поглощение молекулой хлорофилла а (Хл а) одного кванта красного света (содержание энергии 41 ккал/энштейн) приводит к переходу молекулы в первое синглетное возбужденное состояние, протяженность жизни которого составляет ~ 10^–9 с.

Поглощение кванта синего света, который владеет большей энергией (65 ккал/энштейн) приводит к возникновению еще более короткоживущего (менее 10^–12 с) другого возбужденного синглетного состояния. Первое возбужденное синглетное состояние может с поворотом спина и тратой тепла (10 ккал/моль) переходить в первое возбужденное триплетное состояние (протяженность жизни больше 10^–4 с). Таким образом, для хлорофилла характерны два основных возбужденных синглетных состояний, которые значительно отличаются по энергии. Одно из этих состояний может быть возбуждено с помощью красного света, например с длиной волны 680 нм. Второе такое состояние обладает большей энергией и возбуждается синим светом (например, 430 нм).

Вероятность возбуждения синглетного основного состояния до уровня возбужденного триплетного состояния обычно составляет только около 10^–5 вероятности перехода в возбужденное синглетное состояние. При переходе от основного синглетного состояния до триплетного должна значительно увеличиваться энергия электрона и одновременно измениться ориентация его спина. Так как совпадение этих двух явлений маловероятно, очень малое количество молекул хлорофилла в результате поглощения света непосредственно возбуждаются с основного состояния до триплетного.

Время нахождения электрона на верхнем уровне, в возбужденном состоянии очень мало. При возвращении из возбужденного в основное состояние энергия может выделяться в виде тепла, в виде света (флуоресценция, фосфоресценция), затрачиваться на фотохимическую работу или передаваться другим молекулам, которые перейдут, в свою очередь, в возбужденное состояние.