Фотосинтездің жарық сатысы
Фотосинтездің жарық сатысы қалай басталады?
Фотосинтездің жарық сатысы фотосинтездік жүйелер құрамындағы пигменттердің жарық кванты — фотонды — сіңіруінен басталады. Жеке пигменттердің жарықты сіңіруі спектрдің әртүрлі аймақтарына сәйкес келеді. Бұл олардың молекулаларындағы электрондардың орналасу ерекшеліктеріне байланысты.
Негізгі ұғым
Әр пигмент молекуласы өз құрылысына қарай белгілі бір толқын ұзындығындағы сәулені тиімдірек сіңіреді, ал сіңірілген энергия кейін реакциялық орталыққа жеткізіледі.
Пигмент фотон сіңіргенде не өзгереді?
Пигмент фотонды сіңірген кезде молекуладағы электрондардың орналасуы өзгеріп, молекула қозған күйге өтеді. Мысалы, қызыл сәуле квантын сіңірген хлорофилл молекуласы қозған синглеттік күйге (S*) ауысады. Ал энергиясы жоғары көк сәуле квантын сіңіргенде электрон бұдан да жоғары қозған деңгейге (S**) көтеріледі.
1) Жылу және флуоресценция
Қозған хлорофилл энергияның бір бөлігін жылу түрінде жоғалтып, ұзын толқынды жарық квантын сәулелендіруі мүмкін. Бұл құбылыс флуоресценция деп аталады.
2) Триплеттік күй және фосфоресценция
Энергияның бір бөлігі молекула синглеттік қозған күйден тұрақтырақ триплеттік күйге (T) ауысқанда бөлінеді. Бұл күйден молекула одан да ұзын толқынды квантты сәулелендіріп, негізгі күйіне қайтады — фосфоресценция.
3) Фотохимиялық реакциялар
Ең маңыздысы — қозған молекуладағы энергияның фотохимиялық реакцияларға жұмсалуы. Фотосинтездің тиімділігі дәл осы жолға тәуелді.
Бұл заңдылықтар фотосинтездік жүйелер құрамындағы көптеген пигмент молекулаларына ортақ: энергия бір молекуладан екіншісіне ауысып, ақырында реакциялық орталықтағы фотохимиялық процестерді қамтамасыз етеді.
Антенналық пигменттер және энергияның «төмен қарай ағуы»
Пигменттер әртүрлі толқын ұзындықтарындағы сәулелерді сіңіре отырып, энергияны реакциялық орталықтағы фотохимиялық реакцияға тікелей қатысатын хлорофилл молекулаларына жеткізеді (жиі P700 және P680 деп белгіленеді).
Маңызды қағида
- Энергия антенналық пигменттерден реакциялық орталыққа қарай біртіндеп азаяды — бұл «жоғарыдан төмен қарай ағу» сияқты көрінеді.
- Жарық жинаушы антенна пигменттері реакциялық орталық пигменттеріне қарағанда энергиясы жоғары (қысқа толқынды) фотондарды сіңіреді.
- Сондықтан қозу энергиясы реакциялық орталыққа жеткеннен кейін кері бағытта оңай «қайтып кетпейді»; энергияны пайдаланудың ең тиімді жолы — фотохимиялық реакция.
Энергияның фотожүйелер ішінде таралуы
I және II фотожүйелерде (ФЖ) антенналық кешендер арқылы жиналған энергия реакциялық орталыққа жеткенше молекулалар арасында ауысып отырады. Қозған пигмент молекулаларындағы энергияның геометриялық жылжуы бағытсыз, кездейсоқ «шарлауға» ұқсас деп есептеледі.
Кездейсоқ орналасу мүмкіндігі
Реакциялық орталықтардың антенналық молекулалар арасында орналасуы кездейсоқ болуы мүмкін. Бұл жағдайда антеннаның кез келген молекуласында жұтылған энергия басқа молекулаларға ауысып, соңында кез келген реакциялық орталыққа түсуі ықтимал.
Шектеулі қабылдау мүмкіндігі
Басқа көзқарас бойынша, белгілі бір реакциялық орталық антеннадағы молекулалардың белгілі бір тобынан ғана энергия қабылдайды. Бұл жағдайда сіңген квант энергиясы тек бір реакциялық орталыққа бағытталуы мүмкін.
Неге фотохимиялық реакция өте жылдам болуы тиіс?
Реакциялық орталықтағы фотохимиялық реакция өте жылдам жүруі керек. Әйтпесе, реакциялық орталық пигменттері (P700 және P680) қозған синглеттік күйдегі энергиясын флуоресценция түрінде жоғалтар еді.
Бақылаулар нені көрсетеді?
Фотосинтездеуші бактерияларда фотохимиялық реакция шамамен 6 × 10-12 секунд ішінде жүреді — бұл флуоресценция уақытымен салыстырғанда бірнеше есе жылдамырақ.
Реакция осындай жылдам жүруі үшін әр пигмент тилакоид мембранасында энергияны беретін және қайта қабылдайтын тотығу-тотықсыздану жүйелеріне жақын орналасуы қажет. Сонымен қатар, тотыққан реакциялық орталық пигментіне электрон беретін жүйе де оған қатарласа, өте жақын болуы тиіс.
Электрон тасымалы және жарыққа тәуелді/тәуелсіз кезеңдер
Қозған P700 және P680 пигменттерінен бөлінген электрондардың әсерінен феофитин және шартты түрде A деп белгіленетін ақуыздық жүйелердің тотықсыздануымен байланысты жарыққа тәуелді реакциялар аяқталады.
Жүйелендіріп айтқанда
- Электронның бастапқы бөлінуі және алғашқы тасымалдаушылардың тотықсыздануы — жарықты қажет етеді.
- Келесі биохимиялық сатылардың көбі, соның ішінде НАД(Ф)Н және АТФ түзілуімен байланысты процестер — тікелей жарықты қажет етпейді.