Фотосинтез — это сложный биохимический процесс, в результате которого растения, водоросли и некоторые бактерии преобразуют солнечную энергию в химическую, используя углекислый газ и воду для синтеза глюкозы и кислорода. Фотосинтез можно разделить на две основные стадии: световую и темновую (или фиксирующую углерод).

1. Световая фаза фотосинтеза

Световая фаза происходит в тилакоидных мембранах хлоропластов и включает несколько ключевых реакций:

Поглощение света: Пигменты, такие как хлорофилл (главный пигмент в растениях), поглощают солнечную энергию. Хлорофилл поглощает свет в основном в синем и красном спектрах, в то время как зеленый свет отражается, что и придаёт растениям зелёный цвет.

Фотолиз воды: Под воздействием света вода распадается на кислород, протоны и электроны. Этот процесс называется фотолизом воды (2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂). Выделяющийся кислород является побочным продуктом фотосинтеза.

Цепь переноса электронов: Освобожденные электроны передаются через цепь переносчиков, что приводит к образованию АТФ (аденозинтрифосфата) и НАДФН (восстановленной никотинамид аденин динуклеотид фосфата) от АДФ и НАДФ⁺ в процессе фосфорилирования. Эти молекулы являются энергетическими носителями, которые будут использоваться на следующем этапе фотосинтеза.

2. Темновая фаза фотосинтеза (фаза фиксации углерода)

Темновая фаза происходит в строме хлоропластов и включает цикл Кальвина:

Фиксация углекислого газа: Углекислый газ, поступающий из атмосферы, фиксируется в органическую форму, что катализируется ферментом RuBisCO (рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазой/оксигеназой). Этот фермент представляет собой один из самых распространённых и важных ферментов на Земле.

Образование глюкозы: В результате ряда реакций с использованием энергии, накопленной в ходе световой фазы (в виде АТФ и НАДФН), происходит превращение фиксированного углерода в глюкозу и другие сахара.

Вклад ферментов и пигментов

Ферменты: Ферменты играют критическую роль в фотосинтезе, ускоряя реакции и обеспечивая их высокую скорость. Например, RuBisCO, относящийся к классу карбоксилаз, катализирует основной этап фиксации углерода. Другие ферменты участвуют в преобразовании промежуточных продуктов и синтезе углеводов.

Пигменты: Пигменты, такие как хлорофиллы и каротиноиды, важны для поглощения света. Они позволяют растению собирать солнечную энергию, необходимую для запуска световой реакции фотосинтеза. Хлорофиллы отвечают за основной пигментационный поток света, тогда как каротиноиды защищают растения от чрезмерного света и окислительного стресса.

В целом, фотосинтез является сложным, но высокоэффективным процессом, в котором ферменты и пигменты играют незаменимую роль, обеспечивая жизнь на Земле, производя кислород и органические вещества.