Фотосинтез

Фотосинтез в зеленых растениях определяет существование всех высших форм жизни. Так как кислород в атмосфере Земли образован именно в результате фотосинтеза. Суммарное уравнение фотосинтеза имеет вид

Здесь w — квант света, (СН₂0) — фрагмент молекулы углевода. При фотореакции выделяется энергия 470 кДж/моль. Изменение свободной энергии составляет 504 кДж/моль, следовательно, изменение энтропии равно—113 Дж/(моль*К) (при 300 К). На образование одной молекулы 0₂ расходуется 8 квантов света с суммарной энергией около 1470 кДж/моль. Тем самым коэффициент использования солнечной энергии равен 500/1470 = 0,34.

Таким образом, фотосинтез в зеленых растениях означает реакцию между окислителем СО₂ и восстановителем Н₂0.

Энергия, необходимая для реакции, подается светом. Первая стадия процесса состоит в поглощении света пигментами, среди которых наиболее важен хлорофилл.

Фотосинтез можно определить, как процесс фотоиндуцированного электронного транспорта, конечным результатом которого является усвоение СО₂. Скорость фотосинтеза зависит от интенсивности падающего света I. Грубо говоря, скорость образования некоего субстрата пропорциональна числу поглощенных квантов. Этот неустойчивый субстрат преобразуется далее в ферментативных процессах. Опыт показывает, что для продукции одной молекулы О₂ нужно n ~ 8 молекул субстрата. На один ферментативный комплекс или на одну молекулу обобщенного фермента {фото синтетическая единица) приходится около 300 молекул хлорофилла (50 в фотосиитезирующих бактериях).

Скорость фотосинтеза можно представить эмпирической формулой, подобной формуле Михаэлиса — Ментен (с. 178):

где k_E — константа скорости ферментативной реакции, п ~ 8, E — концентрация фермента.

Скорость v зависит от температуры K. При большой интенсивности падающего света I >> К наступает насыщение, V_max = k_EE/n, Величина k_E находится путем измерения зависимости выхода O₂ от продолжительности интервалов времени между вспышками l<t при импульсном освещении. Среднее время, необходимое для превращения одной молекулы субстрата, составляет ~0,02 с. Иными словами, k_E = 1/0,02 = 50 (c^-1).

Концентрация Е = [Сhl]/300, [Chl] — концентрация хлорофилла. Получаем V_max = 50 [Chl]/n • 300 = 0,02 [Сhl] с^-1. Максимальная скорость фотосинтеза при постоянном освещении равна одной молекуле О₂ на молекулу хлорофилла за 50 с.