История изучения фотосинтеза начинается с момента обнаружения известным английским химиком Джозефом Пристли факта, что зеленые растения в отличие от животных организмов способны исправлять испорченный последними воздух, делая его вновь пригодным для поддержания жизни. Это событие относится к 1771 г.; оно произошло еще до того, как стало известно существование кислорода, открытого тем же Пристли лишь через несколько лет.
Исследователи, работавшие в XIX и в первой четверти XX столетия, рассматривали фотосинтез как одноактный процесс разложения СО2 или комплекса СО2 с хлорофиллом, происходящий под действием солнечного света.
К. А. Тимирязев (1871) впервые высказал идею о непосредственном участии хлорофилла в акте фотосинтеза и о том, что в ходе этого процесса пигмент подвергается обратимым окислительно-восстановительным превращениям.
Вильштеттер (1918) в предложенной им схеме уже постулировал наличие в фотосинтезе световой и темновой (энзиматической) стадий. Прогрессивное значение этой идеи подрывалось, однако, тем, что к темновой стадии Вильштеттер относил реакции окислительно-восстановительных превращений хлорофилла.
Все предлагавшиеся в тот период схемы исходили из того, что выделяющийся при фотосинтезе кислород образуется при разложении углекислого газа. Второе утверждение состояло в том, что фотосинтез осуществим лишь в интактной клетке, в отсутствие каких-либо нарушений ее целостности. Эту идею развивал и крупнейший биохимик первой четверти XX в. Р. Вильштеттер. Она опиралась на наблюдения, согласно которым разрушение хлоропластов приводило к исчезновению фотосинтеза. К такого же рода выводу пришел Р. Эмерсон, который в 1936 г. писал, что фотосинтез может протекать только в абсолютно нетронутом организме.
Вместе с тем в те же тридцатые годы стали появляться высказывания, согласно которым поглощаемая хлорофиллом энергия света должна быть направлена не на разложение СО2, а на разрыв одной связи ОН в молекуле воды. Эта идея основывалась на чисто априорных термодинамических расчетах, путем сопоставления величин энергии связи кислорода с углеродом в молекуле СО2 с энергией любого из квантов в видимой части спектра. Экспериментальные доказательства ее правильности были получены в 1941 г. Решающую роль при этом сыграли исследования, в которых был использован меченый кислород. Как известно, природный кислород существует в виде трех изотопов (16О, 17О и 18О), соотношение между которыми неодинаково у кислорода разного происхождения. Наименьшее содержание 18О характерно для кислорода воды, наибольшее - для кислорода углекислого газа. Среднее положение занимает по этому признаку кислород атмосферы.
В 1945 г. А. П. Виноградова и Р. В. Тейс обнаружили совпадение изотопного состава кислорода "обычной" воды и воды, синтезированной ими из "обычного" водорода и кислорода, выделяемого зеленым листом на свету (фотосинтетического).
С. Рубен и М. Камен применили несколько иной принцип. Они синтезировали СО2 и Н2 О с разным содержанием 18О. Давая эти соединения хлорелле на свету, авторы установили, что варьирование изотопного состава кислорода, входящего в состав СО2, на изотопном составе кислорода фотосинтеза не сказывалось. Одновременно выявилось, что состав кислорода фотосинтеза можно было произвольно изменять путем изменения доли 18О в молекуле воды. Всем этим обосновываются представления о том, что основная масса кислорода, выделяющегося при фотосинтезе, принадлежит воде, а, следовательно, в ходе фотосинтеза имеет место не разложение СО2, а диссоциация молекулы воды, вызываемая энергией кванта света.
Для преодоления других обосновавшихся в учении о фотосинтезе неправильных представлений также понадобилась напряженная работа многих ученых. Успеху исследований способствовало широкое использование великих завоеваний физики и химии нашего времени и созданных на основе этих успехов новых, высокоэффективных методов исследования. В числе таких методов спектрометрия, включая импульсную, дифференциальную и флуоресцентную спектрофотометрию; электрометрия, включая измерения фотопроводимости, магнитные измерения, метод меченых атомов, дифференциальное центрифугирование; электронная, фазоиоконтрастная микроскопия и др. Полученные в ходе исследований материалы легли в основу современных представлений о фотосинтезе как о сенсибилизируемой хлорофиллом системе сопряженных окислительно-восстановительных реакций. Специфика фотосинтеза состоит в том, что в ходе этого процесса имеет место превращение электромагнитной энергии света в энергию химических связей конечных фотопродуктов.
Краткая хронология главнейших открытий ХХ века в области фотосинтеза выглядит следующим образом:
1930-1940 гг. Г. Фишер расшифровал структуру молекул хлорофиллов а и b.
1937 г. Г. А. Кребс описал цикл лимонной кислоты (цикл Кребса).
1937 г. Р. Хилл показал, что при освещении суспензии хлоропластов в присутствии акцептора электронов происходит выделение кислорода.
1937-1941 гг. К. Б. ван Ниль доказал, что при фотосинтезе происходит фоторазложение Н2 О, а не СО2.
1946-1956 гг. М. Кальвин и сотр. экспериментально расшифровали основной путь углерода в процессе фотосинтеза (цикл Кальвина).
1943-1957 гг. Р. Эмерсон на основании экспериментальных данных (эффект усиления Эмерсона) предположил, что в световой фазе фотосинтеза функционируют две пигментные системы.
фотосинтез открытие тимирязев пристли
1960 г. Р. Б. Вудворд и М. Штрель осуществили синтез молекулы хлорофилла.
1966 г. М. Д. Хетч и К. Р. Слэк экспериментально обосновали С4 -путь фотосинтеза (Полевой, 1989).
Открытие двух фаз процесса фотосинтеза
Голландский микробиолог К. Б. Ван Ниль, изучая особенности бактериального фотосинтеза и сравнивая его с фотосинтезом у растений, в 1937-1941 гг. пришел к заключению, что первична фотохимическая реакция фотосинтеза состоит в диссоциации воды, а не в разложении СО2. Способные к фотосинтетической ассимиляции СО2 бактерии (за исключением цианобактерий) нуждаются в восстановителях типа Н2 S, Н2, СН3 и других и не выделяют в процессе фотосинтеза кислород. Такой тип фотосинтеза был назван фоторедукцией. Ван Ниль пришел к выводу, что для пурпурных или зеленых серобактерий общее уравнение фотосинтеза может быть представлено следующим образом:
→ СО2 + h3 S свет + Н2 О + S2
или в общей форме:
→CO2 + 2h3 A свет + h3 O + 2А,
где Н2 А - окисляемый субстрат (донор водорода). Он предположил, что для высших растений и водорослей Н2 А - это Н2 О, а 2А - это Од.
Тогда первичным фотохимическим актом в фотосинтезе растений должно быть разложение воды на окислитель и восстановитель Затем первичный восстановитель восстанавливает СО2, а первичный окислитель участвует в реакции, в которой высвобождается О2 и снова образуется Н2 О.
В соответствии с этим предположением полное уравнение фотосинтеза, по ван Нилю, можно записать так:
Прямые экспериментальные доказательства того, что кислород при фотосинтезе освобождается именно из воды, были получены в 1941 г. независимо в СССР и в США. А. П. Виноградов и Р. В. Тейс с помощью масс-спектрометра показали, что отношение 16О: 18О в кислороде, выделяющемся при фотосинтезе, соответствует соотношению этих изотопов в воде, а не в диоксиде углерода (Лебедев, 1960).
Открытие пигментов пластид и установление структуры и состава хлорофилловПигменты - важнейший компонент аппарата фотосинтеза. Изучение растительных пигментов резко ускорилось благодаря работам русского физиолога растений М. С. Цвета. Пытаясь найти способ разделения пигментов на индивидуальные вещества, Цвет в 1901 - 1903 гг. открыл принципиально новый метод, который он назвал адсорбционной хроматографией. Через колонку с сорбентом пропускается растворитель с растворенными веществами. Так как вещества различаются по степени адсорбции, они перемещаются по колонке с разной скоростью. В результате происходит разделение веществ. Этот прием широко используется в современной биохимии, химии и в некоторых отраслях промышленности. С помощью хроматографического метода Цвет обнаружил два хлорофилла - а и b и разделил желтые пигменты листа на три фракции (Рубин, 1975).
Пигменты пластид относятся к трем классам веществ: хлорофиллам, фикобилинам и каротиноидам. Впервые хлорофилл в кристаллическом виде был описан русским физиологом и ботаником И. П. Бородиным в 1883 г. В дальнейшем оказалось, что это не сам хлорофилл, а несколько видоизмененная его форма - этилхлорофиллид. Польские биохимики М. Ненцкий и Л. Мархлевский (1897) обнаружили, что основу молекулы хлорофилла, как и гема гемоглобина, составляет порфириновое кольцо. Таким образом было показано принципиальное структурное сходство этих пигментов у растений и животных. Немецкий химик Р. Вильштеттер в 1906-1914 гг. установил элементарный состав хлорофилла а - C55 H72 О5 N4 Mg и хлорофилла b - C55 H70 О6 N4 Mg, а немецкий биохимик Г. Фишер в 1930-1940 гг. полностью расшифровал структурную формулу хлорофилла. В 1960 г. химики-органики Р. Б. Вудворд (США) и М. Штрель (ФРГ) осуществили искусственный синтез хлорофилла. Хлорофилл - сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта, а другая - остатком одноатомного непредельного спирта фитола. По данным А. А. Шлыка (1965), хлорофилл b может образовываться из вновь синтезированных молекул хлорофилла а. ( Кретович, 1971).
Впервые реакция фотовосстановления хлорофилла была осуществлена в модельных опытах А. А. Красновским в 1948 г. Хлорофилл, растворенный в пиридине, в анаэробных условиях под действием света восстанавливается аскорбиновой кислотой или другими донорами электронов. При этом образуется восстановленная ("красная") форма хлорофилла. После выключения света реакция идет в обратном направлении. Фотовосстановленный хлорофилл в свою очередь может восстанавливать различные акцепторы электронов. В той же модельной системе, но с добавлением акцептора электронов хлорофилл при освещении действует как сенсибилизатор. В этих условиях происходит восстановление NAD+, рибофлавина, хинона, Fe3+, кислорода. Эти реакции получили название "реакций Красновского". Из всего сказанного следует, что молекула хлорофилла благодаря структурным и физико-химическим особенностям способна выполнять три важнейшие функции:
1) избирательно поглощать энергию света,
2) запасать ее в виде энергии электронного возбуждения,
3) фотохимически преобразовывать энергию возбужденного состояния в химическую энергию первичных фотовосстановленных и фотоокисленных соединений (Полевой, 1989).
Открытия в естествознании 19-20 вв.Последствия НТРХарактеристика физических взаимодействийШироко используемые открытияОсновы неклассической наукиПространство и время в философииЧто такое ноосфераПроблема разумаБиохимическая революцияБиология в додарвиновский период
biofile.ru
История изучения фотосинтеза начинается с момента обнаружения известным английским химиком Джозефом Пристли факта, что зеленые растения в отличие от животных организмов способны исправлять испорченный последними воздух, делая его вновь пригодным для поддержания жизни. Это событие относится к 1771 г.; оно произошло еще до того, как стало известно существование кислорода, открытого тем же Пристли лишь через несколько лет.
Исследователи, работавшие в XIX и в первой четверти XX столетия, рассматривали фотосинтез как одноактный процесс разложения СО2 или комплекса СО2 с хлорофиллом, происходящий под действием солнечного света.
К.А. Тимирязев (1871) впервые высказал идею о непосредственном участии хлорофилла в акте фотосинтеза и о том, что в ходе этого процесса пигмент подвергается обратимым окислительно-восстановительным превращениям.
Вильштеттер (1918) в предложенной им схеме уже постулировал наличие в фотосинтезе световой и темновой (энзиматической) стадий. Прогрессивное значение этой идеи подрывалось, однако, тем, что к темновой стадии Вильштеттер относил реакции окислительно-восстановительных превращений хлорофилла.
Все предлагавшиеся в тот период схемы исходили из того, что выделяющийся при фотосинтезе кислород образуется при разложении углекислого газа. Второе утверждение состояло в том, что фотосинтез осуществим лишь в интактной клетке, в отсутствие каких-либо нарушений ее целостности. Эту идею развивал и крупнейший биохимик первой четверти XX в.Р. Вильштеттер. Она опиралась на наблюдения, согласно которым разрушение хлоропластов приводило к исчезновению фотосинтеза. К такого же рода выводу пришел Р. Эмерсон, который в 1936 г. писал, что фотосинтез может протекать только в абсолютно нетронутом организме.
Вместе с тем в те же тридцатые годы стали появляться высказывания, согласно которым поглощаемая хлорофиллом энергия света должна быть направлена не на разложение СО2, а на разрыв одной связи ОН в молекуле воды. Эта идея основывалась на чисто априорных термодинамических расчетах, путем сопоставления величин энергии связи кислорода с углеродом в молекуле СО2 с энергией любого из квантов в видимой части спектра. Экспериментальные доказательства ее правильности были получены в 1941 г. Решающую роль при этом сыграли исследования, в которых был использован меченый кислород. Как известно, природный кислород существует в виде трех изотопов (16 О, 17 О и 18 О), соотношение между которыми неодинаково у кислорода разного происхождения. Наименьшее содержание 18 О характерно для кислорода воды, наибольшее — для кислорода углекислого газа. Среднее положение занимает по этому признаку кислород атмосферы.
В 1945 г.А.П. Виноградова и Р.В. Тейс обнаружили совпадение изотопного состава кислорода «обычной» воды и воды, синтезированной ими из «обычного» водорода и кислорода, выделяемого зеленым листом на свету (фотосинтетического).
С. Рубен и М. Камен применили несколько иной принцип. Они синтезировали СО2 и Н2 О с разным содержанием 18 О. Давая эти соединения хлорелле на свету, авторы установили, что варьирование изотопного состава кислорода, входящего в состав СО2, на изотопном составе кислорода фотосинтеза не сказывалось. Одновременно выявилось, что состав кислорода фотосинтеза можно было произвольно изменять путем изменения доли 18 О в молекуле воды. Всем этим обосновываются представления о том, что основная масса кислорода, выделяющегося при фотосинтезе, принадлежит воде, а, следовательно, в ходе фотосинтеза имеет место не разложение СО2, а диссоциация молекулы воды, вызываемая энергией кванта света.
Для преодоления других обосновавшихся в учении о фотосинтезе неправильных представлений также понадобилась напряженная работа многих ученых. Успеху исследований способствовало широкое использование великих завоеваний физики и химии нашего времени и созданных на основе этих успехов новых, высокоэффективных методов исследования. В числе таких методов спектрометрия, включая импульсную, дифференциальную и флуоресцентную спектрофотометрию; электрометрия, включая измерения фотопроводимости, магнитные измерения, метод меченых атомов, дифференциальное центрифугирование; электронная, фазоиоконтрастная микроскопия и др. Полученные в ходе исследований материалы легли в основу современных представлений о фотосинтезе как о сенсибилизируемой хлорофиллом системе сопряженных окислительно-восстановительных реакций. Специфика фотосинтеза состоит в том, что в ходе этого процесса имеет место превращение электромагнитной энергии света в энергию химических связей конечных фотопродуктов.
Краткая хронология главнейших открытий ХХ века в области фотосинтеза выглядит следующим образом:
1930-1940 гг.Г. Фишер расшифровал структуру молекул хлорофиллов а и b.
1937 г. Г.А. Кребс описал цикл лимонной кислоты (цикл Кребса).
1937 г. Р. Хилл показал, что при освещении суспензии хлоропластов в присутствии акцептора электронов происходит выделение кислорода.
1937-1941 гг. К.Б. ван Ниль доказал, что при фотосинтезе происходит фоторазложение Н2 О, а не СО2 .
1946-1956 гг. М. Кальвин и сотр. экспериментально расшифровали основной путь углерода в процессе фотосинтеза (цикл Кальвина).
1943-1957 гг. Р. Эмерсон на основании экспериментальных данных (эффект усиления Эмерсона) предположил, что в световой фазе фотосинтеза функционируют две пигментные системы.
фотосинтез открытие тимирязев пристли
1960 г.Р.Б. Вудворд и М. Штрель осуществили синтез молекулы хлорофилла.
1966 г. М.Д. Хетч и К.Р. Слэк экспериментально обосновали С4 -путь фотосинтеза (Полевой, 1989).
Открытие двух фаз процесса фотосинтеза. Голландский микробиолог К.Б. Ван Ниль, изучая особенности бактериального фотосинтеза и сравнивая его с фотосинтезом у растений, в 1937-1941 гг. пришел к заключению, что первична фотохимическая реакция фотосинтеза состоит в диссоциации воды, а не в разложении СО2. Способные к фотосинтетической ассимиляции СО2 бактерии (за исключением цианобактерий) нуждаются в восстановителях типа Н2 S, Н2, СН3 и других и не выделяют в процессе фотосинтеза кислород. Такой тип фотосинтеза был назван фоторедукцией. Ван Ниль пришел к выводу, что для пурпурных или зеленых серобактерий общее уравнение фотосинтеза может быть представлено следующим образом:
СО2 + h3 Sсвет [СН2 О] + Н2 О + S2
или в общей форме:
CO2 + 2h3 Aсвет [Ch3 О] + h3 O + 2А,
где Н2 А — окисляемый субстрат (донор водорода). Он предположил, что для высших растений и водорослей Н2 А — это Н2 О, а 2А — это Од.
Тогда первичным фотохимическим актом в фотосинтезе растений должно быть разложение воды на окислитель [ОН] и восстановитель [H] Затем первичный восстановитель [Н] восстанавливает СО2, а первичный окислитель [ОН] участвует в реакции, в которой высвобождаетсяО2 и снова образуется Н2 О.
В соответствии с этим предположением полное уравнение фотосинтеза, по ван Нилю, можно записать так:
СО2 + 4Н2 О свет [СН2 О ] + ЗН2 О + О2 .Идеи ван Ниля были поддержаны результатами опытов английского физиолога растений Р. Хилла, который в 1937 г. показал, что изолированные хлоропласты под действием света способны разлагать воду и выделять кислород в присутствии акцепторов электронов (феррицианида, бензохинона и др.). Это явление получило название реакции Хилла. Согласно Хиллу, процесс разложения воды осуществляется в три этапа:
4Н2 О 4Н+ + 4ОН- (фотолиз)4ОН- → 2Н2 О + 4ē + О2
2
Прямые экспериментальные доказательства того, что кислород при фотосинтезе освобождается именно из воды, были получены в 1941 г. независимо в СССР и в США.А.П. Виноградов и Р.В. Тейс с помощью масс-спектрометра показали, что отношение 16 О: 18 О в кислороде, выделяющемся при фотосинтезе, соответствует соотношению этих изотопов в воде, а не в диоксиде углерода (Лебедев, 1960).
Пигменты — важнейший компонент аппарата фотосинтеза. Изучение растительных пигментов резко ускорилось благодаря работам русского физиолога растений М.С. Цвета. Пытаясь найти способ разделения пигментов на индивидуальные вещества, Цвет в 1901 — 1903 гг. открыл принципиально новый метод, который он назвал адсорбционной хроматографией. Через колонку с сорбентом пропускается растворитель с растворенными веществами. Так как вещества различаются по степени адсорбции, они перемещаются по колонке с разной скоростью. В результате происходит разделение веществ. Этот прием широко используется в современной биохимии, химии и в некоторых отраслях промышленности. С помощью хроматографического метода Цвет обнаружил два хлорофилла — а и b и разделил желтые пигменты листа на три фракции (Рубин, 1975).
Пигменты пластид относятся к трем классам веществ: хлорофиллам, фикобилинам и каротиноидам. Впервые хлорофилл в кристаллическом виде был описан русским физиологом и ботаником И.П. Бородиным в 1883 г. В дальнейшем оказалось, что это не сам хлорофилл, а несколько видоизмененная его форма — этилхлорофиллид. Польские биохимики М. Ненцкий и Л. Мархлевский (1897) обнаружили, что основу молекулы хлорофилла, как и гема гемоглобина, составляет порфириновое кольцо. Таким образом было показано принципиальное структурное сходство этих пигментов у растений и животных. Немецкий химик Р. Вильштеттер в 1906-1914 гг. установил элементарный состав хлорофилла а — C55 H72 О5 N4 Mgи хлорофилла b — C55 H70 О6 N4 Mg, а немецкий биохимик Г. Фишер в 1930-1940 гг. полностью расшифровал структурную формулу хлорофилла. В 1960 г. химики-органики Р.Б. Вудворд (США) и М. Штрель (ФРГ) осуществили искусственный синтез хлорофилла. Хлорофилл — сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта, а другая — остатком одноатомного непредельного спирта фитола. По данным А.А. Шлыка (1965), хлорофилл b может образовываться из вновь синтезированных молекул хлорофилла а. ( Кретович, 1971).
Впервые реакция фотовосстановления хлорофилла была осуществлена в модельных опытах А.А. Красновским в 1948 г. Хлорофилл, растворенный в пиридине, в анаэробных условиях под действием света восстанавливается аскорбиновой кислотой или другими донорами электронов. При этом образуется восстановленная («красная») форма хлорофилла. После выключения света реакция идет в обратном направлении. Фотовосстановленный хлорофилл в свою очередь может восстанавливать различные акцепторы электронов. В той же модельной системе, но с добавлением акцептора электронов хлорофилл при освещении действует как сенсибилизатор. В этих условиях происходит восстановление NAD+, рибофлавина, хинона, Fe3+, кислорода. Эти реакции получили название "реакций Красновского". Из всего сказанного следует, что молекула хлорофилла благодаря структурным и физико-химическим особенностям способна выполнять три важнейшие функции:
1) избирательно поглощать энергию света,
2) запасать ее в виде энергии электронного возбуждения,
3) фотохимически преобразовывать энергию возбужденного состояния в химическую энергию первичных фотовосстановленных и фотоокисленных соединений (Полевой, 1989).
1. Биофизика фотосинтеза / Под ред. А.Б. Рубина. М.: МГУ, 1975.
2. Кретович В.Л. Основы биохимии растений. М.: Высшая школа, 1971.
3. Лебедев С.И. Фотосинтез. Киев: УАСХН, 1960.
4. Полевой В.В. Физиология растений. М.: Высшая школа, 1989.
5. Рубин Б.А. Курс физиологии растений. М.: Высшая школа, 1976.
6. Тарчевский И.А. Основы фотосинтеза. М.: Высшая школа, 1970.
www.ronl.ru
История изучения фотосинтеза начинается с момента обнаружения известным английским химиком Джозефом Пристли факта, что зеленые растения в отличие от животных организмов способны исправлять испорченный последними воздух, делая его вновь пригодным для поддержания жизни. Это событие относится к 1771 г.; оно произошло еще до того, как стало известно существование кислорода, открытого тем же Пристли лишь через несколько лет.
Исследователи, работавшие в XIX и в первой четверти XX столетия, рассматривали фотосинтез как одноактный процесс разложения СО2 или комплекса СО2 с хлорофиллом, происходящий под действием солнечного света.
К.А. Тимирязев (1871) впервые высказал идею о непосредственном участии хлорофилла в акте фотосинтеза и о том, что в ходе этого процесса пигмент подвергается обратимым окислительно-восстановительным превращениям.
Вильштеттер (1918) в предложенной им схеме уже постулировал наличие в фотосинтезе световой и темновой (энзиматической) стадий. Прогрессивное значение этой идеи подрывалось, однако, тем, что к темновой стадии Вильштеттер относил реакции окислительно-восстановительных превращений хлорофилла.
Все предлагавшиеся в тот период схемы исходили из того, что выделяющийся при фотосинтезе кислород образуется при разложении углекислого газа. Второе утверждение состояло в том, что фотосинтез осуществим лишь в интактной клетке, в отсутствие каких-либо нарушений ее целостности. Эту идею развивал и крупнейший биохимик первой четверти XX в.Р. Вильштеттер. Она опиралась на наблюдения, согласно которым разрушение хлоропластов приводило к исчезновению фотосинтеза. К такого же рода выводу пришел Р. Эмерсон, который в 1936 г. писал, что фотосинтез может протекать только в абсолютно нетронутом организме.
Вместе с тем в те же тридцатые годы стали появляться высказывания, согласно которым поглощаемая хлорофиллом энергия света должна быть направлена не на разложение СО2, а на разрыв одной связи ОН в молекуле воды. Эта идея основывалась на чисто априорных термодинамических расчетах, путем сопоставления величин энергии связи кислорода с углеродом в молекуле СО2 с энергией любого из квантов в видимой части спектра. Экспериментальные доказательства ее правильности были получены в 1941 г. Решающую роль при этом сыграли исследования, в которых был использован меченый кислород. Как известно, природный кислород существует в виде трех изотопов (16О, 17О и 18О), соотношение между которыми неодинаково у кислорода разного происхождения. Наименьшее содержание 18О характерно для кислорода воды, наибольшее - для кислорода углекислого газа. Среднее положение занимает по этому признаку кислород атмосферы.
В 1945 г.А.П. Виноградова и Р.В. Тейс обнаружили совпадение изотопного состава кислорода "обычной" воды и воды, синтезированной ими из "обычного" водорода и кислорода, выделяемого зеленым листом на свету (фотосинтетического).
С. Рубен и М. Камен применили несколько иной принцип. Они синтезировали СО2 и Н2О с разным содержанием 18О. Давая эти соединения хлорелле на свету, авторы установили, что варьирование изотопного состава кислорода, входящего в состав СО2, на изотопном составе кислорода фотосинтеза не сказывалось. Одновременно выявилось, что состав кислорода фотосинтеза можно было произвольно изменять путем изменения доли 18О в молекуле воды. Всем этим обосновываются представления о том, что основная масса кислорода, выделяющегося при фотосинтезе, принадлежит воде, а, следовательно, в ходе фотосинтеза имеет место не разложение СО2, а диссоциация молекулы воды, вызываемая энергией кванта света.
Для преодоления других обосновавшихся в учении о фотосинтезе неправильных представлений также понадобилась напряженная работа многих ученых. Успеху исследований способствовало широкое использование великих завоеваний физики и химии нашего времени и созданных на основе этих успехов новых, высокоэффективных методов исследования. В числе таких методов спектрометрия, включая импульсную, дифференциальную и флуоресцентную спектрофотометрию; электрометрия, включая измерения фотопроводимости, магнитные измерения, метод меченых атомов, дифференциальное центрифугирование; электронная, фазоиоконтрастная микроскопия и др. Полученные в ходе исследований материалы легли в основу современных представлений о фотосинтезе как о сенсибилизируемой хлорофиллом системе сопряженных окислительно-восстановительных реакций. Специфика фотосинтеза состоит в том, что в ходе этого процесса имеет место превращение электромагнитной энергии света в энергию химических связей конечных фотопродуктов.
Краткая хронология главнейших открытий ХХ века в области фотосинтеза выглядит следующим образом:
1930-1940 гг.Г. Фишер расшифровал структуру молекул хлорофиллов а и b.
1937 г. Г.А. Кребс описал цикл лимонной кислоты (цикл Кребса).
1937 г. Р. Хилл показал, что при освещении суспензии хлоропластов в присутствии акцептора электронов происходит выделение кислорода.
1937-1941 гг. К.Б. ван Ниль доказал, что при фотосинтезе происходит фоторазложение Н2О, а не СО2.
1946-1956 гг. М. Кальвин и сотр. экспериментально расшифровали основной путь углерода в процессе фотосинтеза (цикл Кальвина).
1943-1957 гг. Р. Эмерсон на основании экспериментальных данных (эффект усиления Эмерсона) предположил, что в световой фазе фотосинтеза функционируют две пигментные системы.
фотосинтез открытие тимирязев пристли
1960 г.Р.Б. Вудворд и М. Штрель осуществили синтез молекулы хлорофилла.
1966 г. М.Д. Хетч и К.Р. Слэк экспериментально обосновали С4-путь фотосинтеза (Полевой, 1989).
Открытие двух фаз процесса фотосинтеза. Голландский микробиолог К.Б. Ван Ниль, изучая особенности бактериального фотосинтеза и сравнивая его с фотосинтезом у растений, в 1937-1941 гг. пришел к заключению, что первична фотохимическая реакция фотосинтеза состоит в диссоциации воды, а не в разложении СО2. Способные к фотосинтетической ассимиляции СО2 бактерии (за исключением цианобактерий) нуждаются в восстановителях типа Н2S, Н2, СН3 и других и не выделяют в процессе фотосинтеза кислород. Такой тип фотосинтеза был назван фоторедукцией. Ван Ниль пришел к выводу, что для пурпурных или зеленых серобактерий общее уравнение фотосинтеза может быть представлено следующим образом:СО2 + h3S свет [СН2О] + Н2О + S2или в общей форме:
CO2 + 2h3A свет [Ch3О] + h3O + 2А,где Н2А - окисляемый субстрат (донор водорода). Он предположил, что для высших растений и водорослей Н2А - это Н2О, а 2А - это Од.
Тогда первичным фотохимическим актом в фотосинтезе растений должно быть разложение воды на окислитель [ОН] и восстановитель [H] Затем первичный восстановитель [Н] восстанавливает СО2, а первичный окислитель [ОН] участвует в реакции, в которой высвобождаетсяО2и снова образуется Н2О.
В соответствии с этим предположением полное уравнение фотосинтеза, по ван Нилю, можно записать так: СО2 + 4Н2О свет [СН2О ] + ЗН2О + О2.Идеи ван Ниля были поддержаны результатами опытов английского физиолога растений Р. Хилла, который в 1937 г. показал, что изолированные хлоропласты под действием света способны разлагать воду и выделять кислород в присутствии акцепторов электронов (феррицианида, бензохинона и др.). Это явление получило название реакции Хилла. Согласно Хиллу, процесс разложения воды осуществляется в три этапа:
4Н2О 4Н+ + 4ОН- (фотолиз)
4ОН- → 2Н2О + 4ē + О2
2 Прямые экспериментальные доказательства того, что кислород при фотосинтезе освобождается именно из воды, были получены в 1941 г. независимо в СССР и в США.А.П. Виноградов и Р.В. Тейс с помощью масс-спектрометра показали, что отношение 16О: 18О в кислороде, выделяющемся при фотосинтезе, соответствует соотношению этих изотопов в воде, а не в диоксиде углерода (Лебедев, 1960).
Пигменты - важнейший компонент аппарата фотосинтеза. Изучение растительных пигментов резко ускорилось благодаря работам русского физиолога растений М.С. Цвета. Пытаясь найти способ разделения пигментов на индивидуальные вещества, Цвет в 1901 - 1903 гг. открыл принципиально новый метод, который он назвал адсорбционной хроматографией. Через колонку с сорбентом пропускается растворитель с растворенными веществами. Так как вещества различаются по степени адсорбции, они перемещаются по колонке с разной скоростью. В результате происходит разделение веществ. Этот прием широко используется в современной биохимии, химии и в некоторых отраслях промышленности. С помощью хроматографического метода Цвет обнаружил два хлорофилла - а и b и разделил желтые пигменты листа на три фракции (Рубин, 1975).
Пигменты пластид относятся к трем классам веществ: хлорофиллам, фикобилинам и каротиноидам. Впервые хлорофилл в кристаллическом виде был описан русским физиологом и ботаником И.П. Бородиным в 1883 г. В дальнейшем оказалось, что это не сам хлорофилл, а несколько видоизмененная его форма - этилхлорофиллид. Польские биохимики М. Ненцкий и Л. Мархлевский (1897) обнаружили, что основу молекулы хлорофилла, как и гема гемоглобина, составляет порфириновое кольцо. Таким образом было показано принципиальное структурное сходство этих пигментов у растений и животных. Немецкий химик Р. Вильштеттер в 1906-1914 гг. установил элементарный состав хлорофилла а - C55H72О5N4Mg и хлорофилла b - C55H70О6N4Mg, а немецкий биохимик Г. Фишер в 1930-1940 гг. полностью расшифровал структурную формулу хлорофилла. В 1960 г. химики-органики Р.Б. Вудворд (США) и М. Штрель (ФРГ) осуществили искусственный синтез хлорофилла. Хлорофилл - сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта, а другая - остатком одноатомного непредельного спирта фитола. По данным А.А. Шлыка (1965), хлорофилл b может образовываться из вновь синтезированных молекул хлорофилла а. (Кретович, 1971).
Впервые реакция фотовосстановления хлорофилла была осуществлена в модельных опытах А.А. Красновским в 1948 г. Хлорофилл, растворенный в пиридине, в анаэробных условиях под действием света восстанавливается аскорбиновой кислотой или другими донорами электронов. При этом образуется восстановленная ("красная") форма хлорофилла. После выключения света реакция идет в обратном направлении. Фотовосстановленный хлорофилл в свою очередь может восстанавливать различные акцепторы электронов. В той же модельной системе, но с добавлением акцептора электронов хлорофилл при освещении действует как сенсибилизатор. В этих условиях происходит восстановление NAD+, рибофлавина, хинона, Fe3+, кислорода. Эти реакции получили название "реакций Красновского". Из всего сказанного следует, что молекула хлорофилла благодаря структурным и физико-химическим особенностям способна выполнять три важнейшие функции:
1) избирательно поглощать энергию света,
2) запасать ее в виде энергии электронного возбуждения,
3) фотохимически преобразовывать энергию возбужденного состояния в химическую энергию первичных фотовосстановленных и фотоокисленных соединений (Полевой, 1989).
1. Биофизика фотосинтеза / Под ред. А.Б. Рубина. М.: МГУ, 1975.
2. Кретович В.Л. Основы биохимии растений. М.: Высшая школа, 1971.
3. Лебедев С.И. Фотосинтез. Киев: УАСХН, 1960.
4. Полевой В.В. Физиология растений. М.: Высшая школа, 1989.
5. Рубин Б.А. Курс физиологии растений. М.: Высшая школа, 1976.
6. Тарчевский И.А. Основы фотосинтеза. М.: Высшая школа, 1970.
Размещено на Allbest.ru
bukvasha.ru
История изучения фотосинтеза начинается с момента обнаружения известным английским химиком Джозефом Пристли факта, что зеленые растения в отличие от животных организмов способны исправлять испорченный последними воздух, делая его вновь пригодным для поддержания жизни. Это событие относится к 1771 г.; оно произошло еще до того, как стало известно существование кислорода, открытого тем же Пристли лишь через несколько лет.
Исследователи, работавшие в XIX и в первой четверти XX столетия, рассматривали фотосинтез как одноактный процесс разложения СО2или комплекса СО2с хлорофиллом, происходящий под действием солнечного света.
К.А. Тимирязев (1871) впервые высказал идею о непосредственном участии хлорофилла в акте фотосинтеза и о том, что в ходе этого процесса пигмент подвергается обратимым окислительно-восстановительным превращениям.
Вильштеттер (1918) в предложенной им схеме уже постулировал наличие в фотосинтезе световой и темновой (энзиматической) стадий. Прогрессивное значение этой идеи подрывалось, однако, тем, что к темновой стадии Вильштеттер относил реакции окислительно-восстановительных превращений хлорофилла.
Все предлагавшиеся в тот период схемы исходили из того, что выделяющийся при фотосинтезе кислород образуется при разложении углекислого газа. Второе утверждение состояло в том, что фотосинтез осуществим лишь в интактной клетке, в отсутствие каких-либо нарушений ее целостности. Эту идею развивал и крупнейший биохимик первой четверти XX в.Р. Вильштеттер. Она опиралась на наблюдения, согласно которым разрушение хлоропластов приводило к исчезновению фотосинтеза. К такого же рода выводу пришел Р. Эмерсон, который в 1936 г. писал, что фотосинтез может протекать только в абсолютно нетронутом организме.
Вместе с тем в те же тридцатые годы стали появляться высказывания, согласно которым поглощаемая хлорофиллом энергия света должна быть направлена не на разложение СО2, а на разрыв одной связи ОН в молекуле воды. Эта идея основывалась на чисто априорных термодинамических расчетах, путем сопоставления величин энергии связи кислорода с углеродом в молекуле СО2с энергией любого из квантов в видимой части спектра. Экспериментальные доказательства ее правильности были получены в 1941 г. Решающую роль при этом сыграли исследования, в которых был использован меченый кислород. Как известно, природный кислород существует в виде трех изотопов (16О,17О и18О), соотношение между которыми неодинаково у кислорода разного происхождения. Наименьшее содержание18О характерно для кислорода воды, наибольшее - для кислорода углекислого газа. Среднее положение занимает по этому признаку кислород атмосферы.
В 1945 г.А.П. Виноградова и Р.В. Тейс обнаружили совпадение изотопного состава кислорода "обычной" воды и воды, синтезированной ими из "обычного" водорода и кислорода, выделяемого зеленым листом на свету (фотосинтетического).
С. Рубен и М. Камен применили несколько иной принцип. Они синтезировали СО2и Н2О с разным содержанием18О. Давая эти соединения хлорелле на свету, авторы установили, что варьирование изотопного состава кислорода, входящего в состав СО2, на изотопном составе кислорода фотосинтеза не сказывалось. Одновременно выявилось, что состав кислорода фотосинтеза можно было произвольно изменять путем изменения доли18О в молекуле воды. Всем этим обосновываются представления о том, что основная масса кислорода, выделяющегося при фотосинтезе, принадлежит воде, а, следовательно, в ходе фотосинтеза имеет место не разложение СО2, а диссоциация молекулы воды, вызываемая энергией кванта света.
Для преодоления других обосновавшихся в учении о фотосинтезе неправильных представлений также понадобилась напряженная работа многих ученых. Успеху исследований способствовало широкое использование великих завоеваний физики и химии нашего времени и созданных на основе этих успехов новых, высокоэффективных методов исследования. В числе таких методов спектрометрия, включая импульсную, дифференциальную и флуоресцентную спектрофотометрию; электрометрия, включая измерения фотопроводимости, магнитные измерения, метод меченых атомов, дифференциальное центрифугирование; электронная, фазоиоконтрастная микроскопия и др. Полученные в ходе исследований материалы легли в основу современных представлений о фотосинтезе как о сенсибилизируемой хлорофиллом системе сопряженных окислительно-восстановительных реакций. Специфика фотосинтеза состоит в том, что в ходе этого процесса имеет место превращение электромагнитной энергии света в энергию химических связей конечных фотопродуктов.
Краткая хронология главнейших открытий ХХ века в области фотосинтеза выглядит следующим образом:
1930-1940 гг.Г. Фишер расшифровал структуру молекул хлорофилловаи b.
1937 г. Г.А. Кребс описал цикл лимонной кислоты (цикл Кребса).
1937 г. Р.Хилл показал, что при освещении суспензии хлоропластов в присутствии акцептора электронов происходит выделение кислорода.
1937-1941 гг. К.Б. ван Ниль доказал, что при фотосинтезе происходит фоторазложение Н2О, а не СО2.
1946-1956 гг. М. Кальвин и сотр. экспериментально расшифровали основной путь углерода в процессе фотосинтеза (цикл Кальвина).
1943-1957 гг. Р. Эмерсон на основании экспериментальных данных (эффект усиления Эмерсона) предположил, что в световой фазе фотосинтеза функционируют две пигментные системы.
фотосинтез открытие тимирязев пристли
1960 г.Р.Б. Вудворд и М. Штрель осуществили синтез молекулы хлорофилла.
1966 г. М.Д. Хетч и К.Р. Слэк экспериментально обосновали С4-путь фотосинтеза (Полевой, 1989).
Открытие двух фаз процесса фотосинтеза.Голландский микробиолог К.Б. Ван Ниль, изучая особенности бактериального фотосинтеза и сравнивая его с фотосинтезом у растений, в 1937-1941 гг. пришел к заключению, что первична фотохимическая реакция фотосинтеза состоит в диссоциации воды, а не в разложении СО2. Способные к фотосинтетической ассимиляции СО2бактерии (за исключением цианобактерий) нуждаются в восстановителях типа Н2S, Н2, СН3и других и не выделяют в процессе фотосинтеза кислород. Такой тип фотосинтеза был названфоторедукцией.Ван Ниль пришел к выводу, что для пурпурных или зеленых серобактерий общее уравнение фотосинтеза может быть представлено следующим образом:
СО2+ h3Sсвет[СН2О] + Н2О + S2
или в общей форме:
CO2+ 2h3Aсвет[Ch3О] + h3O + 2А,
где Н2А - окисляемый субстрат (донор водорода). Он предположил, что для высших растений и водорослей Н2А - это Н2О, а 2А - это Од.
Тогда первичным фотохимическим актом в фотосинтезе растений должно быть разложение воды на окислитель [ОН] и восстановитель [H] Затем первичный восстановитель [Н] восстанавливает СО2, а первичный окислитель [ОН] участвует в реакции, в которой высвобождаетсяО2и снова образуется Н2О.
В соответствии с этим предположением полное уравнение фотосинтеза, по ван Нилю, можно записать так:
СО2+ 4Н2Освет[СН2О ] + ЗН2О + О2.Идеи ван Ниля были поддержаны результатами опытов английского физиолога растений Р. Хилла, который в 1937 г. показал, что изолированные хлоропласты под действием света способны разлагать воду и выделять кислород в присутствии акцепторов электронов (феррицианида, бензохинона и др.). Это явление получило названиереакции Хилла.Согласно Хиллу, процесс разложения воды осуществляется в три этапа:
4Н2О 4Н++ 4ОН-(фотолиз)4ОН-→ 2Н2О + 4ē + О2
 |
2
Прямые экспериментальные доказательства того, что кислород при фотосинтезе освобождается именно из воды, были получены в 1941 г. независимо в СССР и в США.А.П. Виноградов и Р.В. Тейс с помощью масс-спектрометра показали, что отношение16О:18О в кислороде, выделяющемся при фотосинтезе, соответствует соотношению этих изотопов в воде, а не в диоксиде углерода (Лебедев, 1960).
Пигменты - важнейший компонент аппарата фотосинтеза. Изучение растительных пигментов резко ускорилось благодаря работам русского физиолога растений М.С. Цвета. Пытаясь найти способ разделения пигментов на индивидуальные вещества, Цвет в 1901 - 1903 гг. открыл принципиально новый метод, который он назваладсорбционной хроматографией.Через колонку с сорбентом пропускается растворитель с растворенными веществами. Так как вещества различаются по степени адсорбции, они перемещаются по колонке с разной скоростью. В результате происходит разделение веществ. Этот прием широко используется в современной биохимии, химии и в некоторых отраслях промышленности. С помощью хроматографического метода Цвет обнаружил два хлорофилла -аиbи разделил желтые пигменты листа на три фракции (Рубин, 1975).
Пигменты пластид относятся к трем классам веществ: хлорофиллам, фикобилинам и каротиноидам. Впервые хлорофилл в кристаллическом виде был описан русским физиологом и ботаником И.П. Бородиным в 1883 г. В дальнейшем оказалось, что это не сам хлорофилл, а несколько видоизмененная его форма - этилхлорофиллид. Польские биохимики М. Ненцкий и Л. Мархлевский (1897) обнаружили, что основу молекулы хлорофилла, как и гема гемоглобина, составляетпорфириновое кольцо.Таким образом было показано принципиальное структурное сходство этих пигментов у растений и животных. Немецкий химик Р. Вильштеттер в 1906-1914 гг. установил элементарный составхлорофилла а -C55H72О5N4Mgихлорофиллаb -C55H70О6N4Mg, а немецкий биохимик Г. Фишер в 1930-1940 гг. полностью расшифровал структурную формулу хлорофилла. В 1960 г. химики-органики Р.Б. Вудворд (США) и М. Штрель (ФРГ) осуществили искусственный синтез хлорофилла. Хлорофилл - сложный эфир дикарбоновой кислотыхлорофиллина, укоторой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта, а другая - остатком одноатомного непредельного спирта фитола. По данным А.А. Шлыка (1965), хлорофиллbможет образовываться из вновь синтезированных молекул хлорофиллаа. (Кретович, 1971).
Впервые реакция фотовосстановления хлорофилла была осуществлена в модельных опытах А.А. Красновским в 1948 г. Хлорофилл, растворенный в пиридине, в анаэробных условиях под действием света восстанавливается аскорбиновой кислотой или другими донорами электронов. При этом образуется восстановленная ("красная") форма хлорофилла. После выключения света реакция идет в обратном направлении. Фотовосстановленный хлорофилл в свою очередь может восстанавливать различные акцепторы электронов. В той же модельной системе, но с добавлением акцептора электронов хлорофилл при освещении действует как сенсибилизатор. В этих условиях происходит восстановление NAD+, рибофлавина, хинона, Fe3+, кислорода. Эти реакции получили название "реакций Красновского".Из всего сказанного следует, что молекула хлорофилла благодаря структурным и физико-химическим особенностям способна выполнять три важнейшие функции:
1) избирательно поглощать энергию света,
2) запасать ее в виде энергии электронного возбуждения,
3) фотохимически преобразовывать энергию возбужденного состояния в химическую энергию первичных фотовосстановленных и фотоокисленных соединений (Полевой, 1989).
1. Биофизика фотосинтеза / Под ред. А.Б. Рубина. М.: МГУ, 1975.
2.Кретович В.Л.Основы биохимии растений. М.: Высшая школа, 1971.
3.Лебедев С.И.Фотосинтез. Киев: УАСХН, 1960.
4.Полевой В.В.Физиология растений. М.: Высшая школа, 1989.
5.Рубин Б.А.Курс физиологии растений. М.: Высшая школа, 1976.
6.Тарчевский И.А.Основы фотосинтеза. М.: Высшая школа, 1970.
superbotanik.net
История изучения фотосинтеза начинается с момента обнаружения известным английским химиком Джозефом Пристли факта, что зеленые растения в отличие от животных организмов способны исправлять испорченный последними воздух, делая его вновь пригодным для поддержания жизни. Это событие относится к 1771 г.; оно произошло еще до того, как стало известно существование кислорода, открытого тем же Пристли лишь через несколько лет.
Исследователи, работавшие в XIX и в первой четверти XX столетия, рассматривали фотосинтез как одноактный процесс разложения СО2 или комплекса СО2 с хлорофиллом, происходящий под действием солнечного света.
К.А. Тимирязев (1871) впервые высказал идею о непосредственном участии хлорофилла в акте фотосинтеза и о том, что в ходе этого процесса пигмент подвергается обратимым окислительно-восстановительным превращениям.
Вильштеттер (1918) в предложенной им схеме уже постулировал наличие в фотосинтезе световой и темновой (энзиматической) стадий. Прогрессивное значение этой идеи подрывалось, однако, тем, что к темновой стадии Вильштеттер относил реакции окислительно-восстановительных превращений хлорофилла.
Все предлагавшиеся в тот период схемы исходили из того, что выделяющийся при фотосинтезе кислород образуется при разложении углекислого газа. Второе утверждение состояло в том, что фотосинтез осуществим лишь в интактной клетке, в отсутствие каких-либо нарушений ее целостности. Эту идею развивал и крупнейший биохимик первой четверти XX в.Р. Вильштеттер. Она опиралась на наблюдения, согласно которым разрушение хлоропластов приводило к исчезновению фотосинтеза. К такого же рода выводу пришел Р. Эмерсон, который в 1936 г. писал, что фотосинтез может протекать только в абсолютно нетронутом организме.
Вместе с тем в те же тридцатые годы стали появляться высказывания, согласно которым поглощаемая хлорофиллом энергия света должна быть направлена не на разложение СО2, а на разрыв одной связи ОН в молекуле воды. Эта идея основывалась на чисто априорных термодинамических расчетах, путем сопоставления величин энергии связи кислорода с углеродом в молекуле СО2 с энергией любого из квантов в видимой части спектра. Экспериментальные доказательства ее правильности были получены в 1941 г. Решающую роль при этом сыграли исследования, в которых был использован меченый кислород. Как известно, природный кислород существует в виде трех изотопов (16 О, 17 О и 18 О), соотношение между которыми неодинаково у кислорода разного происхождения. Наименьшее содержание 18 О характерно для кислорода воды, наибольшее — для кислорода углекислого газа. Среднее положение занимает по этому признаку кислород атмосферы.
В 1945 г.А.П. Виноградова и Р.В. Тейс обнаружили совпадение изотопного состава кислорода «обычной» воды и воды, синтезированной ими из «обычного» водорода и кислорода, выделяемого зеленым листом на свету (фотосинтетического).
С. Рубен и М. Камен применили несколько иной принцип. Они синтезировали СО2 и Н2 О с разным содержанием 18 О. Давая эти соединения хлорелле на свету, авторы установили, что варьирование изотопного состава кислорода, входящего в состав СО2, на изотопном составе кислорода фотосинтеза не сказывалось. Одновременно выявилось, что состав кислорода фотосинтеза можно было произвольно изменять путем изменения доли 18 О в молекуле воды. Всем этим обосновываются представления о том, что основная масса кислорода, выделяющегося при фотосинтезе, принадлежит воде, а, следовательно, в ходе фотосинтеза имеет место не разложение СО2, а диссоциация молекулы воды, вызываемая энергией кванта света.
Для преодоления других обосновавшихся в учении о фотосинтезе неправильных представлений также понадобилась напряженная работа многих ученых. Успеху исследований способствовало широкое использование великих завоеваний физики и химии нашего времени и созданных на основе этих успехов новых, высокоэффективных методов исследования. В числе таких методов спектрометрия, включая импульсную, дифференциальную и флуоресцентную спектрофотометрию; электрометрия, включая измерения фотопроводимости, магнитные измерения, метод меченых атомов, дифференциальное центрифугирование; электронная, фазоиоконтрастная микроскопия и др. Полученные в ходе исследований материалы легли в основу современных представлений о фотосинтезе как о сенсибилизируемой хлорофиллом системе сопряженных окислительно-восстановительных реакций. Специфика фотосинтеза состоит в том, что в ходе этого процесса имеет место превращение электромагнитной энергии света в энергию химических связей конечных фотопродуктов.
Краткая хронология главнейших открытий ХХ века в области фотосинтеза выглядит следующим образом:
1930-1940 гг.Г. Фишер расшифровал структуру молекул хлорофиллов а и b.
1937 г. Г.А. Кребс описал цикл лимонной кислоты (цикл Кребса).
1937 г. Р. Хилл показал, что при освещении суспензии хлоропластов в присутствии акцептора электронов происходит выделение кислорода.
1937-1941 гг. К.Б. ван Ниль доказал, что при фотосинтезе происходит фоторазложение Н2 О, а не СО2 .
1946-1956 гг. М. Кальвин и сотр. экспериментально расшифровали основной путь углерода в процессе фотосинтеза (цикл Кальвина).
1943-1957 гг. Р. Эмерсон на основании экспериментальных данных (эффект усиления Эмерсона) предположил, что в световой фазе фотосинтеза функционируют две пигментные системы.
фотосинтез открытие тимирязев пристли
1960 г.Р.Б. Вудворд и М. Штрель осуществили синтез молекулы хлорофилла.
1966 г. М.Д. Хетч и К.Р. Слэк экспериментально обосновали С4 -путь фотосинтеза (Полевой, 1989).
Открытие двух фаз процесса фотосинтеза. Голландский микробиолог К.Б. Ван Ниль, изучая особенности бактериального фотосинтеза и сравнивая его с фотосинтезом у растений, в 1937-1941 гг. пришел к заключению, что первична фотохимическая реакция фотосинтеза состоит в диссоциации воды, а не в разложении СО2. Способные к фотосинтетической ассимиляции СО2 бактерии (за исключением цианобактерий) нуждаются в восстановителях типа Н2 S, Н2, СН3 и других и не выделяют в процессе фотосинтеза кислород. Такой тип фотосинтеза был назван фоторедукцией. Ван Ниль пришел к выводу, что для пурпурных или зеленых серобактерий общее уравнение фотосинтеза может быть представлено следующим образом:
СО2 + h3 Sсвет [СН2 О] + Н2 О + S2
или в общей форме:
CO2 + 2h3 Aсвет [Ch3 О] + h3 O + 2А,
где Н2 А — окисляемый субстрат (донор водорода). Он предположил, что для высших растений и водорослей Н2 А — это Н2 О, а 2А — это Од.
Тогда первичным фотохимическим актом в фотосинтезе растений должно быть разложение воды на окислитель [ОН] и восстановитель [H] Затем первичный восстановитель [Н] восстанавливает СО2, а первичный окислитель [ОН] участвует в реакции, в которой высвобождаетсяО2 и снова образуется Н2 О.
В соответствии с этим предположением полное уравнение фотосинтеза, по ван Нилю, можно записать так:
СО2 + 4Н2 О свет [СН2 О ] + ЗН2 О + О2 .Идеи ван Ниля были поддержаны результатами опытов английского физиолога растений Р. Хилла, который в 1937 г. показал, что изолированные хлоропласты под действием света способны разлагать воду и выделять кислород в присутствии акцепторов электронов (феррицианида, бензохинона и др.). Это явление получило название реакции Хилла. Согласно Хиллу, процесс разложения воды осуществляется в три этапа:
4Н2 О 4Н+ + 4ОН- (фотолиз)4ОН- → 2Н2 О + 4ē + О2
2
Прямые экспериментальные доказательства того, что кислород при фотосинтезе освобождается именно из воды, были получены в 1941 г. независимо в СССР и в США.А.П. Виноградов и Р.В. Тейс с помощью масс-спектрометра показали, что отношение 16 О: 18 О в кислороде, выделяющемся при фотосинтезе, соответствует соотношению этих изотопов в воде, а не в диоксиде углерода (Лебедев, 1960).
Пигменты — важнейший компонент аппарата фотосинтеза. Изучение растительных пигментов резко ускорилось благодаря работам русского физиолога растений М.С. Цвета. Пытаясь найти способ разделения пигментов на индивидуальные вещества, Цвет в 1901 — 1903 гг. открыл принципиально новый метод, который он назвал адсорбционной хроматографией. Через колонку с сорбентом пропускается растворитель с растворенными веществами. Так как вещества различаются по степени адсорбции, они перемещаются по колонке с разной скоростью. В результате происходит разделение веществ. Этот прием широко используется в современной биохимии, химии и в некоторых отраслях промышленности. С помощью хроматографического метода Цвет обнаружил два хлорофилла — а и b и разделил желтые пигменты листа на три фракции (Рубин, 1975).
Пигменты пластид относятся к трем классам веществ: хлорофиллам, фикобилинам и каротиноидам. Впервые хлорофилл в кристаллическом виде был описан русским физиологом и ботаником И.П. Бородиным в 1883 г. В дальнейшем оказалось, что это не сам хлорофилл, а несколько видоизмененная его форма — этилхлорофиллид. Польские биохимики М. Ненцкий и Л. Мархлевский (1897) обнаружили, что основу молекулы хлорофилла, как и гема гемоглобина, составляет порфириновое кольцо. Таким образом было показано принципиальное структурное сходство этих пигментов у растений и животных. Немецкий химик Р. Вильштеттер в 1906-1914 гг. установил элементарный состав хлорофилла а — C55 H72 О5 N4 Mgи хлорофилла b — C55 H70 О6 N4 Mg, а немецкий биохимик Г. Фишер в 1930-1940 гг. полностью расшифровал структурную формулу хлорофилла. В 1960 г. химики-органики Р.Б. Вудворд (США) и М. Штрель (ФРГ) осуществили искусственный синтез хлорофилла. Хлорофилл — сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта, а другая — остатком одноатомного непредельного спирта фитола. По данным А.А. Шлыка (1965), хлорофилл b может образовываться из вновь синтезированных молекул хлорофилла а. ( Кретович, 1971).
Впервые реакция фотовосстановления хлорофилла была осуществлена в модельных опытах А.А. Красновским в 1948 г. Хлорофилл, растворенный в пиридине, в анаэробных условиях под действием света восстанавливается аскорбиновой кислотой или другими донорами электронов. При этом образуется восстановленная («красная») форма хлорофилла. После выключения света реакция идет в обратном направлении. Фотовосстановленный хлорофилл в свою очередь может восстанавливать различные акцепторы электронов. В той же модельной системе, но с добавлением акцептора электронов хлорофилл при освещении действует как сенсибилизатор. В этих условиях происходит восстановление NAD+, рибофлавина, хинона, Fe3+, кислорода. Эти реакции получили название "реакций Красновского". Из всего сказанного следует, что молекула хлорофилла благодаря структурным и физико-химическим особенностям способна выполнять три важнейшие функции:
1) избирательно поглощать энергию света,
2) запасать ее в виде энергии электронного возбуждения,
3) фотохимически преобразовывать энергию возбужденного состояния в химическую энергию первичных фотовосстановленных и фотоокисленных соединений (Полевой, 1989).
1. Биофизика фотосинтеза / Под ред. А.Б. Рубина. М.: МГУ, 1975.
2. Кретович В.Л. Основы биохимии растений. М.: Высшая школа, 1971.
3. Лебедев С.И. Фотосинтез. Киев: УАСХН, 1960.
4. Полевой В.В. Физиология растений. М.: Высшая школа, 1989.
5. Рубин Б.А. Курс физиологии растений. М.: Высшая школа, 1976.
6. Тарчевский И.А. Основы фотосинтеза. М.: Высшая школа, 1970.
www.ronl.ru
