Фотобиология - Конев С.В.
Скачать (прямая ссылка):
например, пурпурных н зеленых серобактерий.
2. Термодинамика фотосинтеза
43
Таким образом, в наиболее общем виде итоговая реакция фотосинтеза
выглядит так:
С02 + 2НаА + свет ^ (СН20) + Н20 + 2А.
В дальнейшем основное внимание будет уделено наиболее универсальному
"кислородному" фотосинтезу, поскольку механизмы важнейших этапов процесса
для всех организмов, видимо, близки. Рассмотрим прежде всего фотосинтез с
точки зрения термодинамики.
2. ТЕРМОДИНАМИКА ФОТОСИНТЕЗА
Если не принимать в расчет потерю энергии квантов света, с чисто
химической точки зрения "изолированная" от внешней среды реакция
фотосинтеза представляет собой типичную эндергоническую и эндотермическую
реакцию, идущую с увеличением запасов свободной энергии и энтальпии. Так,
для реакции (1) AE"115, а АНж ^112 ккал/моль. Из общеизвестного
соотношения между изменением общей внутренней энергии системы (АН -
энтальпия), свободной (AF) и связанной (TAS, где AS- изменение энтропии)
энергий AH-TAS + AF следует, что фотосинтез сопровождается некоторым
уменьшением запасов связанной энергии, а следовательно, и энтропии. Это
вполне понятно, поскольку продукты фотосинтеза (глюкоза и кислород) имеют
меньшее число степеней свободы для различных форм движения (большую
упорядоченность), чем исходные продукты (вода и углекислота).
Формально реакция фотосинтеза представляет собой обращенную реакцию
полного окисления глюкозы:
1
6С02 + 6Н20 + энергия ^ CeH]206 + 602,
2
где 1-фотосинтез (АЕ=+686 ккал/моль, А #= = +673 ккал/моль, AS = -43,6
кал/моль-град); 2 - ды-хание(АЕ=-686 ккал/моль, АН=-673 ккал/моль, AS = =
+43,6 кал/моль• град).
Иначе обстоит дело, если рассматривать фотосинтети* ческую систему как
открытую, учитывая "исчезновение"
44
Глава IV. Фотосинтез
квантов света, что и имеет место в действительности. В этом случае запасы
свободной энергии системы /iv + C02+H20 больше, а ее энтропия меньше, чем
у системы глюкоза + кислород. Только без учета энергии света создается
впечатление, что химическая реакция идет против термодинамического
потенциала (первого и второго законов термодинамики). Энергия квантов
света расходуется, с одной стороны, на замену суммарно более прочных
ковалентных связей (в С02 и Н20) на суммарно менее прочные связи (в
C6Hi206 и 02) и, с другой стороны, на упорядочение системы.
Подсчитаем энергию связей для исходных и конечных продуктов фотосинтеза.
В исходных продуктах С02 и Н20 содержатся две С = 0-связи (190 ккал/моль)
и две О-Н-связи (110 ккал/моль). Итого: 190-2+ + 110-2 = 600 ккал/моль. В
конечных продуктах СН20 и 02 содержатся одна 0=0-связь (116 ккал/моль),
одна С = О-связь (190 ккал/моль) и две С-Н-связи (92 ккал/моль). Итого:
116+190+92-2= 490 ккал/моль. Следовательно, дефицит энергии валентных
связей составляет 110 ккал.
Ту же величину можно получить из оценки окислительно-восстановительных
потенциалов. В итоговой реакции фотосинтеза (1) представлены две
сопряженные между собой окислительно-восстановительные полуреак-ции:
окисление воды и восстановление углекислоты. Первая полуреакция (2Н20->-
4Н4'-4ё->-02) имеет редокс-по-тенциал (?'?1)+0,8 В, вторая (С02+4Н++4ё-"-
СН20) - 0,4 В. Отсюда общая разность потенциалов 1,2 В. Для переноса
четырех электронов требуется энергия E=eV= = 4е-1,2 В = 4,8 эВ, или 112
ккал/моль.
Следовательно, при фотосинтезе энергия квантов света тратится, по
существу, на ослабление связей, т. е. на подъем "среднего" валентного
электрона на более высокий энергетический уровень. Электрон обогащается
энергией - переход "холодный"->-"горячий" электрон. Образно говоря,
фотосинтез - это электронный насос, работающий на энергии света.
3. Квантовый и энергетический выход фотосинтеза
45
3. КВАНТОВЫЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ВЫХОД ФОТОСИНТЕЗА
Для покрытия энергетических затрат, связанных с осуществлением реакции
(1), теоретически достаточно трех квантов красного света (1 эйиштейн для
680 им соответствует примерно 40 ккал). Однако в реальных условиях
требуется большая энергия. Обычно в литературе используется понятие
квантового расхода (величина, обратная квантовому выходу), который
определяется количеством квантов, необходимых для образования тех или
иных продуктов фотосинтеза. Минимальное определенное в эксперименте
значение квантового расхода на образование одной молекулы Ог колеблется,
по данным различных авторов, от 4 до 12. Наиболее корректные и
прецизионные определения последних лет дают величину 8hv и для
фотосинтетиков, использующих в качестве донора водорода воду, и для
микроорганизмов с иными донорами водорода.
Простой расчет показывает, что коэффициент полезного действия
трансформации световая-нсимическая форма энергии
120 ккал • 100 ,
Т>==- 40 ккал -8 - 37 % •
ириисдспная эффективность фотосинтеза отражает, однако, его максимально
достижимый уровень. При неблагоприятных условиях (освещенность,
температура, влажность и т. д.) квантовый расход фотосинтеза может
увеличиваться в десятки, сотни и т. д. раз, вплоть до бесконечности (свет
