Фотосинтез рослин і його особливості

Фотосинтез рослин являє собою складний фізико-біохімічний процес, завдяки якому рослини перетворюють електромагнітну енергію, що знаходиться в сонячних променях, в хімічну енергію, використовувану в органічних сполуках. В основі даного процесу лежить ланцюжок окисно-відновних хімічних реакцій, в результаті яких електрони переносяться від донорів-відновників, якими є водень і вода, до акцепторам, що представляє собою окислювачі. При цьому утворюються вуглеводи і виділяється O2 при окислюванні води.

Фотосинтез рослин має дві послідовних стадії. Перша стадія називається світловий (фотохімічної). На цьому етапі квантова світлова енергія перетворюється в хімічну енергію для зв'язків високоенергетичних сполук, а також в універсальний відновник. На другій стадії, яка має назву темновой (метаболічної), отримана хімічна енергія і універсальний відновник проходять цикл для фіксації та відновлення вуглекислоти, в результаті чого утворюються вуглеводи. Механізм фотосинтезу розділяє світлову та темновую стадії не тільки в часі, але й у просторі. Світовий етап проходить в спеціальних тілакоідних енергопреобразующіх мембранах, в той час як темнові реакції проходять або в стромі хлоропласта, або в цитоплазмі.

Фотосинтез і дихання рослин грунтується на поглинанні світлових квантів, де основну роль відіграють хлорофілли, спектр поглинання яких включає видиму область, а також ближні до неї частини інфрачервоних і ультрафіолетових областей. Основним пігментом для всіх рослин, що здійснюють фотосинтез, є хлорофіл а. Зелені водорості, мохи та судинні рослини мають ще й хлорофіл b, який розширює поглинається світловий спектр. Деякі види водоростей містять також хлорофілли c і d. Крім хлорофілів, в процесі поглинання світла беруть також участь каротиноїди і фікобіліни.

Після поглинання світла настає фотохімічний етап, в якому беруть участь дві фотосистеми типів I і II (ФС1 і ФС2). Кожна з фотосистем складається з реакційного центру, де відбувається поділ зарядів, електротранспортної ланцюга, де відбувається окислення електронів, і набору компонентів, які виконують процеси по фотоокісленію води і регенерації реакційного центру. У реакційних центрах квантова світлова енергія перетворюється в хімічну, а далі електрони рухаються згідно градієнту електрохімічного потенціалу, що представляє собою електрон-транспортний ланцюжок фотосинтезу.

Фотосистема типу II виконує реакції по фотоокісленію води, в результаті чого утворюється кисень і протон Н +. Паралельно фотосинтетичного транспорту електронів відбувається процес перенесення протонів з хлоропласта під внутрітілакоідную область. В результаті реакцій утворюються НАДФН і АТФ, які є первинними продуктами фотосинтезу. Далі фотосинтез рослин утворює ферментативні реакції, при яких з вуглекислоти виходять білки, вуглеводи і жири. Якщо ж темновой метаболізм має невуглеводних спрямованість, то утворюються амінокислоти, органічні сполуки і білки.

Метаболічні процеси за типом фіксації CO2 підрозділяються на С3, С4 і САМ-фотосинтез. При цьому вуглеводи, які утворюються на темновой стадії фотосинтезу, можуть відкластися в хлоропластах у вигляді сполук крохмалю, вийти з хлоропластів для утворення нових клітин, виконувати функції джерела енергії для метаболічних реакцій.

Фотосинтез рослин використовує лише 1-2 відсотки поглиненої світлової енергії. На інтенсивність процесу фотосинтезу впливає спектральний склад і інтенсивність світла, температура, водний режим рослини і його мінеральне живлення, концентрація СО2 і О2, а також інші фактори навколишнього середовища.