Фотосинтез — это сложный процесс, в ходе которого зеленые растения, некоторые микробы и водоросли преобразуют световую энергию в химическую, производя органические соединения из углекислого газа и воды, а также выделяя кислород как побочный продукт. Этот процесс проходит в два основных этапа: световые реакции и темновые реакции $илиреакцииКалвина$.

Световые реакции происходят в тилакоидах хлоропластов и требуют света. В этом процессе энергия солнечного света преобразуется в химическую энергию в форме АТФ и NADPH.

Ключевые этапы:

Поглощение света: Хлорофилл и другие пигменты поглощают свет, возбуждая электроны.

Фотолиз воды: Вода $H2O$ расщепляется на кислород $O2$, протоны $H+$ и электроны. Эта реакция катализируется ферментом, называемым пластохинон. Окислительная реакция:

$$2H_{2}O\to 4H^{+}+4e^{-}+O_2$$

Электронно-транспортная цепь: Возбужденные электроны передаются по цепи транзиторных молекул $фотосистемыIIиI$, создавая протонный градиент, который используется для синтеза АТФ через АТФ-синтазу $фосфорилирование$.

Формирование NADPH: На конечном этапе электроны из фотосистемы I передаются на фермент NADP^+ редуктазу, где они восстанавливают НАДФ^+ до NADPH.

Темновые реакции происходят в строме хлоропластов и не требуют света. Они используют АТФ и NADPH, полученные в световых реакциях, для фиксации углекислого газа и синтеза глюкозы.

Ключевые этапы:

Фиксация углекислого газа: Углекислый газ $CO2$ фиксируется в соединение с пятиуглеродной молекулой рибулозы-1,5-бисфосфата $RuBP$ под действием фермента рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилазы/оксигеназы $Рубиско$. В результате образуется два молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты $3-PGA$.

Восстановление 3-PGA: 3-PGA восстанавливается до глицеринальдегида-3-фосфата $G3P$ с помощью энергии АТФ и восстановительных эквивалентов NADPH:

$$3-PGA+ATP+NADPH\to G3P+ADP+NAD{P}^{+}+P_i$$

Регенерация RuBP: Часть молекул G3P используется для синтеза глюкозы, а другая часть проходит через ряд реакций, чтобы регенерировать RuBP, что позволяет замкнуть цикл.

Таким образом, фотосинтез является примером серии окислительно-восстановительных реакций, где световая энергия используется для энергической активации молекул и синтеза органических веществ. Процесс включает ключевые ферменты, такие как Рубиско и NADP^+ редуктазу, которые играют важную роль в трансформации энергии и вещества. Эффективность фотосинтеза и его биохимические составляющие имеют огромное значение для поддержания жизни на Земле, обеспечивая основное питание для большинства организмов.