Тірі ағзалардағы фотосинтез жəне хемосинтез. Фотосинтез механизмі.
Адам өміріне фотосинтез өте қажет. Ол жасыл пигментті хлорофилі бар өсімдіктерде өтеді. Микроағзалар (ашытқы, бактерия) хлорофилсіз. Бірақ төменгі бір клеткалы өсімдіктер (мысалы, хлорофиль) хлорофилі бар болғандықтан, фотосинтез түзеді:
6СО2 + 6Н2О + күн энергиясы = С6Н12О6 + 6О2
Бұдан фотосинтез бен глюкоза, оттегі жəне құрылымы күрделі протоплазма түзетін басқада да заттар шығады. Фотосинтездің протоплазмасының балансын мынадай теңдеумен көрсетеміз:
54470000 кДж + 106СО2 + 90Н2О + 16 NО2- + РО4-3 = 154О2 + 3258 г зат + 5392530 кДж
Шыққан оттегі көмір қышқыл газынан емес, судан түзіледі (фотолиз). Фотолизден шыққан сутегі энергиясы, тасымал-аденозиндифосфаты (АДФ) энергиясы мол аденозин- трифосфатқа (АТФ) түрленеді.
Энергетикалық фотосинтездің өтуі: 1) Судың фотолизі:
Еhv + 6H2O = 3O2 + 6H2
2) АДФ –тың АТФ өтуі:
nАДФ + 2Н2 + О2 = n АТФ + 2Н2О 3) Биомассаның синтезі:
2Н2 + СО2 + nАТФ = Сn (Н2О)n + Н2О + n АДФ
Мұнда фотосинтез клеткалы органоид-хлоропластар мен митохондриялар арқылы өтеді. Фотосинтезге кері прцесс – органикалық заттардың тотығуы да митохондриялар арқылы журеді.Глюкоза тотықса СО2, Н2О жəне энергия босанады. Биологиялық процестегі алғашқы энергия көзі, əрине күн.
Бір секундта күн 4 млн. т масса шығаратын энергия береді. Бұл энергия сутегі ядросындағы протондар гелий ядросына айналғанда шығады. Осылай күн минутына 4 млрд. Ядролық қопарылыстың энергиясын береді. Жнр бетіне күн энергиясы жарық фотондар (кванттар) ретінде түседі. Сол энегияның 0,1-1 % фотосинтезге жұмсалынады. Органикалық заттарға ең бай ормандар. Олар микробиологиялық өндіріске дайын шикізат.
Табиғатта хемосинтез беретін микроағзалар бар, олар СО2 –дан күнсіз, хлорофилсіз-ақ органикалық заттар түзеді. Қажетті энергия, минералды заттарды тотықтырудан алынады. Хемосинтезді микроағзаға бактериялар кіреді.. Олар амиакты тотықтырып:
1) 2 NН3 + 2О2 = 2НNО2 + 2Н2 + энергия
2) СО2 = 2Н2 + энергия = (СН2О)6 + Н2О
Микроағзалар крахмал мен целюлозаны қантқа, спиртке, қышқылға, СО2, Н2 дейін ыдырата алады.
Микроағзалар хемо- немесе фотосинтез процесінде органикалық заттарды СО2 өздері синтездеп алатын микроағзаларды – авторофты, ал өмір сүруге дайын органикалық заттары бар микроағзалар – гетеротрофты деп атайды. Табиғаттағы көміртегі айналымына авто- жəне гетеротрофты ағзалардың екеуіде қатысады. Ауадағы азоттың өзгерістеріне тікелей əсер ететін микроағзалардың маңызы зор. Атмосферада азот ең көп тараған элемент болғанына қарамастан өсімдіктер мен жануарларға ауадағы молекулалық азот жеткіліксіз. Микроағзалар молекулалы азотты сіңіріп қана қоймай, ақуыздарды амин қышқылдарына дейін, əрі қарай аммиакқа дейін ыдыратады. Басқа микроағзалар нитраттарды азотқа дейін, сульфатты күкіртті сутегіге дейін тотықсыздандырады. Фотосинтез процесі кезінде атмосферадан 60 млрд.СО2 қолданылып микробиологиялық деструкция кезінде осындай мөлшерде СОə түзілетіні анықталған. Микроағзалар крахмал мен целлюлозаны қант, қышқылдық, метан, СОə, Нə дейін ыдыратады. Фотосинтез механизмі.
5-суретте жоғары сатыдағы өсімдіктердегі хлоропластың құрылысы көрсетілген. Құрылымның негізгі элементі — грана деп аталатын ламеллалардың жиынтығы. Ламеллалар қалыңдығы 3-нм болатын тилакоидты мемранамен қапталған. Граналар строма деп аталатын ортада орналасып, CO2 қалпына келтіретін тізбек құрайды. Хлоропластың диаметрі оны қоршаған мембранамен қоса есептегенде бірнеше микрон шамасында болады.
Сурет 5. Хлоропластың құрылымы.
Ламеллаларда өтетін фотосинтез процессі өте күрделі. Процесс қарапайымдандырылған түрде төмендегі суретте көрсетілген. Электрондардың тізбек бойынша ізбе-ізділіпен берілуі мынадай түрде өтеді: Н2О Р680, фотосинтетикалық жүйе ІІ → фотосинтетикалық жүйе І, Р700-НАДФ+ .
Көрсетілген реакциялардың нəтижесінде Н2О тотығуы мен НАДФ тотықсыздануы жүзеге асады (никотинамидадениндинуклеотидфосфаттың тотыққан формасы). ФЖ І мен ФЖ ІІ арасында өзара электрон беру кезінде жоғарыэнергетикалық өнім түзіледі, ол СО2 фиксациялауға жұмсалады. 6– суретте фотосинтездің сызбанұсқасы көрсетілген.
Сурет 6. Фотосинтездің сызбанұсқасы
Табиғатта хлорофиллсіз жарық энергиясынан қор жинайтын жалғыз Halobakterium halobium бактериясы ғана. Олар оттегіні өте аз мөлшерде қолдана отырып, жарықтың əсерінен мембранасында қызғылт түсті ақуыз — бактериородопсинді түзеді, кейін Н+ сіңіріліп, АТФ синтезделеді. АТФ – жасушаның энергетикалық қажеттілігін қамтамасыздандыруға жұмсалады.