Жарыққа тәуелді фотосинтез реакциялары. Биология, 11 сынып, дидактикалық материал.

Фотосинтездің фотофизикалық кезеңі.

Фотохимияның заңдары бойынша, жарық квантын атомын немесе кез келген бір заттың молекуласы сіңіргенде электрон басқа, алшақтау орбитальге көшеді, басқа сөзбен айтқанда жоғары энергетикалық деңгейге көшеді. Ең жоғары энергиясы бар электродтар, атомның ядросынан алшақтаған және одан едәуір алыстау арақашықтықта орналасқан. Сонымен қоса ядроға жақын орналасқан электрондардың энергиясы аз болады. әрбір электрон жоғары энергетикалық деңгейге өтуі үшін, оған жарық кванты әсер етуі қажет, егер бұл кванттың энергиясы осы энергетикалық деңгейлердің арасындағы айырмаларына тең болған жағдайда. Барлық фотосинтездеуші организмдерда хлорофилдің белгілі типі бар. Тек Halobacterium halobium бактериялары ерекше болып келеді, олардың құраымнда бактериородопсин бар, соның көмегімен олар жарық квантын сіңіреді.

Хлорофилл молекуласында екі қозу деңгейі бар. Соның арқасында олардың сіңірудің екі негізгі линиясы бар. Қозудың бірінші деңгейі қос байланысып қабаттасқан жүйесінде электорндардың жоғары энергетикалық деңгейге көшуімен сипатталады, ал екінші деңгейі – порфиринді ядрода оттегі мен азот атомдарының қос байланыспаған электрондардың қозумен сипатталады. Жарықты сіңіру кезінде электрондар тұрақсыз, тербелу қозғалыстырына өтеді. Молекулада ең қозғалғыш делокализдген электрондар болып келеді, олардың орбитальдары әлемішті /размазаны/ тәрізді, екі ядро арасында ортақ болады. Қос байланыстардың қабаттасатын электрондар жақсы қозады.

Электрондар белгілі орбитальда орналасып, ядроны айнала қозғалғанымен қосымша спиндерге ие болады /магнитті вектордың моменті/ - электрон өзінің осін айнала қозғалу үдерісі. Электронның спині екі мағынаны қабылдай алады. Бір орбитальде орналасатын екі электрондардың спиндері, бір біріне қарама – қарсы орналасады. молекулада барлық электрондар жұптасын орналасатын болса, онда олардың жиынтық спиндері нөлге тең болып келеді. Бұл негізгі синглетті қалпы болып табылады (S₀). Негізгі энергетикалық күйде S₀ молекула ортамен жылу тепе-тендікте орналасады, барлық электрондар орбитальдарда аз энергиямен жұптасып орналасады. Жарықты сіңіру кезінде электрондар келесі орбитальдерге көшеді, бұл орбитальдардың энергетикалық деңгейі жоғары болып келеді. бұл жағдайда екі мүмкіндік болады: егер электрон спинін өзгертпесе, онда бұл бірінші және екінші синглетті күйге пайда болуына әкеледі. Ал егер электрондардың біреуі спинін өзгертетін болса, онда бұл жағдайды триплетті деп атайды. Ең жоғарғы энергетикалық деңгей – бұл екінші синглетті деңгей болып келеді. электрондар бұл деңгейге көк-күлгін сәуелелрдің әсерінен көшеді, олардың кванттарында энергиясы көбірек болады. Бірінші реттік қозуға электрондар қызыл жарықтың ұсақ кванттарын сіңіру арқылы көше алады. Қозған, бірінші синглетті және триплетті күйден хлорофилл молекуласы, сонымен қоса негізгі күйге өте алады. бұл жағдайда оның дезактивациясы /энергияны жоғалту/ келесідей өтуі мүмкін:

• Энергенияны жарық түрінде шыру жолымен / флуоресценция және фосфоресценция / немесе жылу түрінде бөлінеді;
• Энергияны басқа пигменттің молекуласына көшіру жолы арқылы;
• Энергияны фотохимиялық үдерістерге жұмсау жолы арқылы /электронды жоғалту және оны акцепторға қосу/.

Көрсетілген әрбір жағдайда пигменттің молекуласы дезактивацияланады және негзгі энергетикалық күйге көшеді. Флуоресценция немесе жылу түрінде шығарылған энергия әрі қарай қолданыла алмайды.

Қазіргі уақытта көрсетілгендей, хлорофилдің екі қызметі бар – энегрияны сіңіру және беру. Бұл ртте хлорофилл молекулаларының негізгі бөлігі – хлоропласттың ішіндегі барлық хлорофилдің 90% жарықжинаушы кешеннің құрамына кіреді /ЖЖК /ССК- светособирающего комплекс/. Жарықжинаушы кешен антеннаның ролін ойнайды, жарықты эффективті сіңіреді және қозу энергиясын реакционды орталыққа тасымалдайды. ЖЖК каротиноидтерде бар, ал кейбір балдырлармен цианобактерияларда фиколибиндерде орналасады. каротиноидтер мен фиколибиндер жарықтың сіңірілу эффективтілігін жоғарылатады, себебі хлорофилл молекулалары жарықты сіңіре алмайтын спектр аймақтарда сіңіре алады /тереңдікте/.

Бұл құрылым жарық энергиясын толқтау қолдануға көмектеседі. Хлорофилдің әрбір молекуласы тікелей жарық астында секундына 10 реттей жарық квантын сіңіретіні есептелген. Сол уақытта фотосинтездің келесі реакциялардың жылдамдығы жоғары болады. Нәтижесінде, әрбір хлорофилл молекуласының келесі реакциямен тікелей байланысқанда фотосинтез процессі үзік – үзік/кідіріспен жүретін еді. Сонымен қоса жарық энергиясын химиялық реакцияларда қолдану ферменттердің көп мөлшерін қажет етеді. Егер хлорофилдің әрбір молекуласы жарық энергиясын тікелей фотохимиялық процестерге беретін болса, онда жапырақта барлық қажетті ферменттік жүйелер үшін орналастыруға орын жетпес еді. Эволюция барысында өсімдіктерде келесі механизм пайда болған, жапыраққа тамшылартүрінде түсетін жарық кванттарын толық қолдануға мүмкіндік беретін. Бұл механизмнің ерекшелігі, жарықтың квант энергиясы ЖЖК хлорофилдің 200—400 молекулаларымен және каротиондтармен сіңіріледі, реакционды орталыққа ағып келетін тәрізді болып келеді. пигмент молекулалары арасында энергияны беру негізінен резонансты түрде жүреді, жоғары жылдамдықпен зарядтар бөлімбейді. Бір хлорофилл молекуласынан екінші молекулаға энергияның берілу уақыты 10^-12 — 10^-12 с құрайды, ал каротиноид молекулаларынан хлорофилге 4х10^-10 с. Сонымен, энергияның тасымалдау уақыты қозған молекуланың (10^-8 с) тіршілігінен аздау болып келеді. бұл тәрізді тасымалдау/берілу пигмент молекулалары бір-біріне жақын орналасқанда жүзеге асырылады.

Есептеулер көрсеткендей, бір хлоропласттың құрамында 1 млрд хлорофилл молекулалары орналасады. Мембранада хлорофилдердің арасындағы арақашықтық 1 нм құрайды. Энергия тек пигменттен пигментке тасымалданады. Толқын ұзындығы қысқа молекуладан ұзын толқындарды сіңіретін пигменттерге қарай тасымалданады. Бір пигмент молекулаласынан екінші молекулаға энергияның берілуі жоғары эффективтілігімен беріледі (b хлорофилінен а хлорофиліне — 90%, каротиноидтен хлорофилге — 40% ), бірақ бұл белгілі энергия мөлшерінің жоғалуымен байланысты болып келеді. Сонымен қоса қысқа толқынды жарықтың кванттары энергия мөлшері көбірек болып келеді. Энергияның жоғалуы кванттардың ұсақтайды (ұзын толқындарға). Сондықтан хлорофилдің негізгі формалары, энергия кағып келетін, ұзын толқынды болып келеді. Энергияның қайтадан кері тасымалдануы мүмкін емес.

Егер пигменттердің молекулалары нда бірдей сіңіру максимумы болған жағдайда, энергияны тасымалдаудың басқа жолы болуы мүмкін, оның атауы экситонды. Бұл жағдайда пигменттердің кешеніне электрондық қозу молекулааралық вибрациялардың нәтижесінде таралады. ЖЖК құрылымы фотосинтездеуші организмнің систематикалық орнына ғана тәуелді болмайды, сонымен қоса өсетін аймақтың жағдайларына да тәуелді болып келеді. Көлеңкеге шыдамды өсімдіктердің ЖЖК мөлшері ірі болып келеді, жарығы жоғары жағдайларда өсетін өсімдіктерге қарағанда. Қорытындылай келе, фотосинтездің бірінші реттік процестерінде, хлорофилл молекуласының жарық квантын сіңірумен байланысты, маңызды рольді энергияны беру/тасымалдау процестері ойнайды. Фотосинтездің фотофизикалық кезеңі/сатысының негізі, жарық кванттары сіңіріледі және пигменттердің молекулаларын қозған күйге айналдырады. Содан кейін бұл энергия реакционды орталыққа беріледі, бірінші реттік фотохимиялық реакцияларды жүзеге асыратын: зарядтарды бөлу. Содан кейін жарық энергиясының химиялық энергияға айналуы бірнеше кезеңдерден өтеді, хлорофилдің тотығу-тотықсыздану айналуынан басталады, фотохимиялық /жарық/ және энезимді реакцияларды қосады.