Фотолиз воды это: суть процесса и механизм

Фотосинтез - удивительный природный механизм, благодаря которому растения производят питательные вещества, а мы дышим кислородом. Но как именно солнечный свет преобразуется в энергию жизни? Ответ таится в фотолизе воды. Далее мы разберем, что это такое и как протекает этот важнейший для всего живого процесс.

Суть фотолиза воды

Фотолиз воды это распад молекул воды на атомы водорода и кислорода под действием света в процессе фотосинтеза. Этот термин ввел в науку русский биохимик Александр Ничипорович в 1961 году.

Роль фотолиза воды в фотосинтезе трудно переоценить. Это одна из ключевых стадий, в результате которой выделяется молекулярный кислород, необходимый для дыхания растений и животных, а также образуется водород, участвующий в дальнейшем синтезе органики.

2H₂O + 2 photons (hv) → 2H⁺ + 2e^- + O₂

Так выглядит уравнение фотолиза - на выходе мы получаем ионы водорода, электроны и молекулу кислорода. Этот кислород и составляет основную часть атмосферного - продукт глобального фотосинтеза растений.

История изучения фотосинтеза и фотолиза

Впервые фотосинтез был описан английским ученым Джозефом Пристли в 1770-х годах. Он заметил, что свеча горит хуже в закрытых сосудах, а если туда поместить растение, то горение снова активизируется. Пристли сделал вывод, что именно растения вырабатывают кислород.

Далее в течение 19 века были открыты основные пигменты фотосинтеза - хлорофиллы, а также структуры в клетке растений, где этот процесс протекает - хлоропласты. Было показано, что хлорофилл поглощает красный и синий свет, а отражает зеленый, придавая растениям знакомый нам цвет.

В 20 веке процесс фотосинтеза разделили на две фазы - световую и темновую. Первая зависит от освещенности, а вторая может протекать и без света. Также выяснили, что именно на стадии световой фазы происходит выделение кислорода из воды, который затем используется на следующих этапах для синтеза органики.

Механизм световой фазы фотосинтеза

Световой этап фотосинтеза включает несколько стадий:

1. Поглощение кванта света молекулой хлорофилла в реакционных центрах фотосистем
2. Перенос энергии возбуждения по цепи дополнительных пигментов
3. Переход электрона с хлорофилла на первичный акцептор, создание электрохимического потенциала
4. Транспорт электронов по электрон-транспортной цепи с участием переносчиков
5. Восстановление НАДФ+ в НАДФ·H
6. Образование АТФ из АДФ при движении протонов

Рассмотрим некоторые ключевые моменты подробнее.

Первичными приемниками квантов света являются две фотосистемы - ФС1 и ФС2, в каждой из которых есть реакционный центр с молекулой хлорофилла. ФС2 поглощает кванты длиной волны 680 нм, а ФС1 - 700 нм. Энергия переносится далее от одной молекулы пигмента к другой, пока не достигает следующих переносчиков.

Далее электроны переносятся по специальным белкам-переносчикам, которые устроены так, что электроны могут двигаться только в одном направлении - от ФС2 к ФС1. Такой поток называют нециклическим.

При движении электронов одновременно сквозь мембрану хлоропласта перекачиваются и протоны, создавая электрохимический градиент, энергия которого затем расходуется на синтез АТФ из АДФ. Также на последних этапах электроны восстанавливают НАДФ+ до НАДФ·Н - важнейшего переносчика водорода.

Так фотосинтез запасает солнечную энергию в устойчивых и долгоживущих соединениях АТФ и НАДФ·Н, которые затем будут использованы на следующей стадии для синтеза глюкозы и других органических веществ уже без участия света.

Реакции темновой фазы фотосинтеза

Если на световой фазе фотосинтеза была накоплена энергия в виде АТФ и НАДФ·Н, а также выделен молекулярный кислород, то второй этап протекает уже без участия света. Здесь задействован цикл реакций, открытый Мелвином Кельвином, поэтому его так и называют - цикл Кальвина.

Основная цель темновой фазы - уловить СО2 из атмосферы и восстановить его в органические соединения, в первую очередь в углевод глюкозу. На первом этапе СО2 встраивается в органическое вещество - рибулозо-1,5-дифосфат. Дальше следует череда превращений с участием ферментов, в результате которых образуется глюкоза.

Кроме глюкозы, на этапе темновой фазы могут синтезироваться другие органические вещества - аминокислоты, жиры, фенольные соединения. Часть глюкозы откладывается в виде крахмала - запас питательных веществ клетки.

Механизм фотолиза воды

Мы уже выяснили, что фотолиз воды - это реакция расщепления молекул H2O на атомы под действием света. Давайте разберем, как конкретно это происходит.

1. Свет поглощается молекулой хлорофилла в реакционном центре фотосистемы 2
2. Электрон переходит на более высокий энергетический уровень, хлорофилл окисляется
3. Электрон переносится на первичный акцептор, создавая электрохимический потенциал
4. Для восстановления хлорофилла электрон отрывается от молекулы воды, она распадается на атомы
5. Атомы водорода отдают протоны в люмен тилакоида, а электроны возвращаются хлорофиллу
6. Атомы кислорода соединяются в молекулу O2, которая выходит из хлоропласта

Ключевое значение здесь имеет окисление молекулы хлорофилла, которое затем запускает лавинообразную цепь окислительно-восстановительных реакций, приводя к распаду воды. Получаемый кислород является побочным продуктом, не участвующим в дальнейших превращениях.

Значение фотолиза воды

Фотолиз воды - не просто одна из стадий фотосинтеза, а основа существования всего живого на планете. Без этого процесса:

• Не происходило бы выделение молекулярного кислорода, которым мы дышим
• Не накапливался бы водород, необходимый для последующего синтеза органики
• Не запасалась бы энергия солнечного света в форме АТФ и НАДФ·Н для питания клетки

Таким образом, без фотолиза не было бы и фотосинтеза, а без него не смогли бы сущестовать ни растения, ни животные, ни грибы - одним словом, вся жизнь на Земле.

Факторы, влияющие на фотосинтез

Интенсивность фотосинтеза и фотолиза воды зависит от ряда условий. Ключевыми факторами являются:

• Температура
• Влажность почвы и воздуха
• Интенсивность освещения
• Концентрация СО2 в воздухе
• Наличие минеральных элементов в почве
• Загрязнение токсичными веществами

Оптимальная температура для фотосинтеза большинства растений +25...+30°C. При недостатке или переизбытке влаги интенсивность процесса резко падает. Нужен и достаточный уровень освещенности - от 5 до 10 тысяч люкс.

Также важно, чтобы в почве присутствовали некоторые микроэлементы, особенно магний, входящий в состав хлорофилла. А избыток тяжелых металлов или загрязнителей, наоборот, подавляет фотосинтез.