Гемоглобин и хлорофилл чем похожи
Разница между хлорофиллом и гемоглобином
Основное различие между хлорофиллом и гемоглобином заключается в том, что хлорофилл является фотосинтетическим пигментом, присутствующим в растениях и других фотосинтезирующих организмах, в то время как гемоглобин является дыхательным пигментом, присутствующим в крови человека.
Биологические пигменты необходимы для жизненных процессов. Они имеют характерный цвет. Некоторые из них зеленого цвета, а некоторые красного, оранжевого и желтого цвета. Хлорофилл является основным пигментом растительной жизни. Требуется производство продуктов в организме с помощью фотосинтеза. С другой стороны, гемоглобин — красный пигмент, присутствующий в крови человека. Это дыхательный пигмент, который транспортирует кислород и питательные вещества по всему организму человека. Хотя хлорофилл и гемоглобин присутствуют в двух разных типах организмов, они имеют сходную структуру. Таким образом, они состоят из углерода, водорода, кислорода и азота. Однако центральным элементом является значительная разница между хлорофиллом и гемоглобином. Магний является центральным элементом хлорофилла, а железо — центральным элементом гемоглобина.
Содержание
Что такое хлорофилл?
Кроме того, молекула хлорофилла состоит из углерода, водорода, азота и кислорода. Следовательно, эти элементы построены вокруг центрального металлического иона магния. Хлорофиллы поглощают волны электромагнитного излучения желтого и синего цвета и отражают зеленый цвет. Следовательно, это причина, почему они видны в зеленом цвете.
Что такое гемоглобин?
Гемоглобин — это железосодержащий пигмент, присутствующий в эритроцитах позвоночных, который транспортирует кислород из легких в другие части тела. Следовательно, он считает дыхательным пигментом. Кроме того, это красный пигмент, который имеет структуру, аналогичную структуре молекулы хлорофилла.
Подобно хлорофиллу, гемоглобин также состоит из C, H, N и O. Но он содержит Fe в качестве центрального иона. Он не только транспортирует кислород, но также транспортирует несколько других газов, таких как диоксид углерода, оксид азота и т. Д.
Каковы сходства между хлорофиллом и гемоглобином?
В чем разница между хлорофиллом и гемоглобином?
Хлорофилл — это пигмент зеленого цвета, присутствующий в фотосинтезирующих организмах, таких как растения, водоросли и цианобактерии. С другой стороны, гемоглобин является респираторным пигментом, присутствующим в эритроцитах позвоночных. Таким образом, это ключевое различие между хлорофиллом и гемоглобином. Еще одно различие между хлорофиллом и гемоглобином — центральный ион, в котором строятся другие элементы. Хлорофилл содержит ион магния, а гемоглобин — ион железа.
Резюме — Хлорофилл против гемоглобина
Хлорофилл и гемоглобин являются двумя важными пигментами, необходимыми для жизнедеятельности растений и животных соответственно. Фотосинтетические организмы, такие как растения, водоросли и цианобактерии, обладают хлорофиллами, а эритроциты позвоночных — гемоглобином. Хотя они присутствуют в разных организмах, их структуры почти одинаковы, так как они имеют похожее пиррольное кольцо. Но они отличаются от центрального иона. Хлорофилл содержит магний, а гемоглобин — железо. Кроме того, их функции разные. Хлорофилл поглощает энергию солнечного света для фотосинтеза, а гемоглобин переносит кислород из легких в другие части тела. Следовательно, это суммирует разницу между хлорофиллом и гемоглобином.
Гемоглобин и хлорофилл чем похожи
Хлорофилл – зеленый пигмент, который окрашивает хлоропласты растений в зеленый цвет и, собственно, обеспечивает их зеленую окраску. При участии хлорофилла происходит фотосинтез – процесс образования органических веществ из неорганических под действием солнечного света. Количество хлорофилла в растениях колеблется от 1,7 до 5 % (на сухой вес).
Хлорофилл был впервые выделен в 1817 г. французскими химиками и фармацевтами Жозефом Бьенеме Каванту и Пьером Жозефом Пеллетье, они же дали ему название, соединив два греческих слова «зеленый» и «лист».
Синтезирован хлорофилл был в 1960 г. американским химиком Робертом Бернсом Вудвордом.
Хлорофилл присутствует во всех фотосинтезирующих организмах – растениях, водорослях, бактериях и пр.
В процессе фотосинтеза молекула хлорофилла поглощает световую энергию, которая используется в фотохимической реакции взаимодействия углекислого газа и воды с образованием органических веществ, благодаря чему происходит рост растений. Фотосинтез чрезвычайно важен не только для растений, но и для всего живого на нашей планете, поскольку его побочной реакцией является выделение кислорода.
В наш организм хлорофилл попадает вместе со свежими овощами. Хлорофилл обладает антиоксидантной и антимутагенной активностью, то есть имеет потенциальную пользу для здоровья.
Лучшими природными источниками хлорофилла являются свежие овощи. Максимальное количество хлорофилла содержится в таких овощах, как шпинат, петрушка, брюссельская капуста, брокколи, салат ромэн, зеленые оливки. Употребление достаточного количества этих и других зеленых овощей позволит обеспечить достаточное количество поступающего хлорофилла. Более того, все эти овощи богаты и другими весьма полезными веществами, таким как витамины, минералы, антиоксиданты и пр., которые могут помочь улучшить здоровье.
К сожалению, не все люди могут использовать в своем питании свежие овощи. При оральном аллергическом синдроме (OAS) у людей развивается аллергическая реакция, которая обусловлена перекрестной реактивностью между белками свежих овощей (и/или фруктов, орехов) и пыльцы. Синдром встречается у 70% больных с сезонным аллергическим ринитом или поллинозом. Термин OAS применим больше к местным аллергическим реакциям на растительную пищу, которые возникают на слизистой оболочке рта. Это довольно опасное состояние, которое сопровождается отеком ротовой полости и горла. При сочетании OAS с системными аллергическими реакциями, или только при одних системных реакциях на растительные пищевые аллергены, чаще используют термин «синдром пыльцевой-пищевой аллергии».
В течение многих лет хлорофилл изучался для выяснения его потенциальных возможностей по улучшению здоровья. В результате немалого количества исследований были выявлены следующие полезные свойства хлорофилла.
Хлорофилл обладает способностью увеличивать количество эритроцитов в крови.
Хлорофилл обладает антиоксидантной и антимутагенной активностью, модулирует метаболизм ксенобиотиков и индукцию апоптоза. В настоящее время проводятся исследования по потенциальной возможности хлорофилла и его производных уменьшать риск возникновения раковых заболеваний.
У хлорофилла отмечаются противовоспалительные свойства, которые, возможно, смогут улучшить состояние при хронических воспалениях. Были выявлены свойства хлорофилла по ингибированию TNF-α (фактор некроза опухоли-альфа) у мышей.
Хлорофилл богат антиоксидантами, которые борются со свободными радикалами в нашем организме, что не только улучшает общее состояние, но и способствует долголетию, поскольку антиоксиданты повышают устойчивость организма к окислительному стрессу.
В экспериментах, проведенных на изолятах Candida albicans, была выявлена антикандидозная активность хлорофилла в концентрациях 25 и 50 %.
Хлорофилл может помочь контролировать вес и предотвратить переедание, снижая тягу к пище и ускоряя наступление насыщения.
При приеме хлорофилла побочные эффекты развиваются довольно редко и, в большинстве своем, они безопасны, однако в случае их возникновения следует обратиться к врачу.
К побочным эффектам при приеме хлорофилла можно отнести тошноту, рвоту, понос, изменение цвета стула на зеленый, желтый или черный, зуд или жжение при нанесении на кожу.
Мало изучено влияние хлорофилла на беременных и кормящих женщин, в связи с этим не рекомендуется использовать БАД к пище с хлорофиллом при беременности или кормлении грудью.
Также недостаточно информации о взаимодействии хлорофилла с лекарственными средствами, поэтому если вы хотите принимать БАД к пище с хлорофиллом во время приема каких-либо рецептурных средств, обязательно предварительно проконсультируйтесь с врачом.
Ни для кого не секрет, что овощи полезны для здоровья каждого человека благодаря комплексу содержащихся в них витаминов, минералов, клетчатки и антиоксидантов. Кроме того, в зеленых овощах содержится хлорофилл, который может помочь улучшить ваше здоровье.
Если вы регулярно употребляете разнообразные овощи, вам не требуется использовать дополнительно БАД к пище с хлорофиллом.
Прием биологически активных добавок к пище, содержащих хлорофилл, целесообразен в тех случаях, когда не представляется возможным потреблять овощи в достаточном количестве, а также при оральном аллергическом синдроме.
Питайтесь правильно и будьте здоровы!
Перед применением любых БАД к пище необходимо проконсультироваться с врачом.
Хлорофилл и гемоглобин
Существуют гипотезы, согласно которым жизненную энергию человеческий организм может черпать из окружающей среды, в том числе это может быть энергия солнца, космическая энергия (эфир), энергия воздуха (прана), астральная энергия и др.
В природе важнейшим энергетическим источником является солнечное излучение, а единственное вещество или субстанция, которая может улавливать и накапливать солнечную энергию, это хлорофилл. В переводе с греческого хлорофил означает зеленый лист.
Многие ученые полагают, что благодаря процессу фотосинтеза хлорофилл поглощает энергию солнечного света и при помощи воды аккумулирует ее в растениях.
Конечным продуктом фотосинтеза является высокоэнергетическая молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), в которой энергия закольцована в химическую связь и в дальнейшем используется в любых энергетических реакциях.
Было доказано, в частности, что зеленая масса растений во многом создается за счет энергии Солнца и газов атмосферы, в том числе и азота. При этом именно хлорофилл способен связывать содержащиеся в атмосфере азот и другие химические элементы, используя энергию солнечного излучения.
Без этого невозможно существование жизни. Мы получаем необходимую для жизни энергию фактически из солнечной энергии, накопленной в растительной пище.
Энергия пищи животного происхождения также первоначально связана с растительной пищей.
И самое удивительное, что заключенная в основных энергоносителях – нефти и угле теплотворная энергия также имеет первоначально солнечно-растительное происхождение.
Указанные энергоносители представляют собой не что иное, как трансформированные остатки растений, жившие миллионы лет назад и также улавливавшие и накапливавшие хлорофилл.
На основе этой гипотезы можно сделать очень важный вывод. Фауна и флора на Земле и сам человек живут в основном за счет энергии солнца, трансформированной в химическую форму через посредничество хлорофилла.
Но, может быть, растения — это единственный вид сложных живых организмов, способных непосредственно усваивать солнечную энергию и атмосферный азот и строить из них белки?
Многие ученые полагают, что способность улавливать и аккумулировать солнечную энергию является свойством не только растений.
Еще в начале века ученые обращали внимание на химическое и биологическое сходство молекул хлорофилла растений с молекулами гемоглобина крови человека и животных.
Ученые построили пространственную структуру молекулы гемоглобина человека и сравнили ее с аналогичной молекулярной структурой хлорофилла. Оказалась, что они почти идентичны.
Основным отличием молекулы хлорофилла от молекулы гемоглобина является наличие иона магния вместо иона железа у молекулы гемоглобина. В молекуле гемоглобина вместо 4 атомов магния присутствует 4 атома железа.
Хлорофилл и гемоглобин удерживают ионы магния или железа кольцом хлорина или порфирина соответственно.
Кроме того, по своему биохимическому составу хлорофилл, который является пигментом и обусловливает зелёный цвет растений, почти идентичен гемоглобину, который придает красный цвет крови.
Цвет и того и другого вещества определяется коферментами (коэнзимами), малыми молекулами небелковой природы, играющими роль активаторов.
Известный швейцарский клиницист Максимилиан Оскар Бирхер-Беннер (1867–1939) – один из основоположников современной диетологии, еще в начале прошлого века высказывал предположение, что «и в животном организме может происходить превращение энергии Солнца в химическую энергию».
Подтверждение этой мысли совсем недавно нашли американские ученые из Массачусетского технологического института.
Проводя эксперименты с углеродными нанотрубками, они обнаружили, что их можно использовать для создания накопителей солнечной энергии в химической форме, без преобразования в электричество.
В ходе эксперимента были получены новые молекулы, структура которых изменяется при воздействии солнечного света и может оставаться стабильной в этой измененной форме на неопределенный срок.
Молекулы, полученные в ходе эксперимента с использованием наноразмерных шаблонов, имеют особую физическую структуру, которая позволяет накапливать в 10 тыс. раз больше солнечной энергии, чем рутениевый аккумулятор тепла.
Можно предположить, что и в человеческом организме существуют такие же молекулы и такой же механизм превращения солнечной энергии в химическую, ее накопления и сохранения.
Современные ученые считают, что в принципе человек способен получать энергию, в том числе и солнечную, непосредственно через кожу и этого может быть вполне достаточно для поддержания нормального функционирования организма.
Постепенно на стыке таких наук, как молекулярная биология, биофизика и биохимия, сформировалось самостоятельное научное направление – биоэнергетика, изучающая механизмы преобразования энергии в процессах жизнедеятельности организмов.
Научной основой биоэнергетики можно считать работы немецкого врача и естествоиспытателя Юлиуса Роберта фон Майера (1814-1878).
В 1842 г. ученый опубликовал статью «Замечания о силах неживой природы», где обосновал механическую теорию тепла.
В частности, он указывал на эквивалентность затраченной работы и производимого тепла. Таким образом, заложил основы закона сохранения и превращения энергии, ставшего в последствии первым законом термодинамики.
В середине прошлого века центральное место в биоэнергетике заняли исследования механизма преобразования энергии в живых организмах.
Современные исследования в области биоэнергетике основываются на научной гипотезе, согласно которой к живым организмам применимы основные законы физики, химии и термодинамики.
Фундаментальная особенность биоэнергетики заключается в том, что живые организмы это – открытые системы, функционирующие лишь в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой.
Обмен веществ (метаболизм) в биологическом организме, в том числе в его клетках состоит из двух параллельных взаимодополняемых процессов:
• катаболического, представляющего собой распад сложных веществ на более простые;
• анаболического, в основе которого лежит синтез более сложных веществ из простых.
Катаболические процессы являются экзергоническими, т. е. идут с уменьшением свободной энергии. Согласно общим законам термодинамики экзергонические процессы могут протекать спонтанно, самопроизвольно.
Анаболические процессы — эндергонические, т.е. протекают с увеличением свободной энергии, для чего требуется приток свободной энергии извне.
Таким образом, в клетке происходит сопряжение обоих процессов, при этом одни процессы используют энергию, освобождаемую при протекании других.
При этом роль почти единственного трансформатора и передатчика энергии в живом организме выполняет аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), расщепляющаяся до аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) или аденозинмонофосфорной кислоты (АМФ), которые создают промежуточные, обогащенные энергией соединения.
Свободная энергия аккумулируется в фосфатных связях этих соединений. При этом АТФ похожа на заряженную батарейку, а АДФ соответственно на разряженную.
Производит АТФ в организме своеобразная «энергетическая станция» клетки – митохондрия, которую считают источником выработки энергии в организме.
Энергия связей АТФ является универсальной формой запасания свободной энергии для всего живого мира. Все преобразования энергии в процессах жизнедеятельности осуществляются через аккумуляцию энергии в этих связях и её использование при их разрыве.
Энергетика процессов метаболизма, в которых энергия сохраняет форму химической, изучена достаточно глубоко.
Однако до сих пор непонятен процесс перехода энергии из химической формы в механическую или в какой-нибудь иной вид энергии.
Например, работа, совершаемая сокращающейся мышцей, производится за счёт энергии, освобождающейся при гидролизе АТФ, но механизм этого преобразования энергии до сих пор не ясен.
Фотосинтез в образах
Автор
Редакторы
Видео на конкурс «био/мол/текст»: Много ли мы знаем про тех, кому обязаны жизнью на Земле?! Почему им так хочется занимать лучшее место под солнцем? Что происходит в недрах этих зеленых, бордовых, коричневых безмолвных существ?
Конкурс «био/мол/текст»-2018
Эта работа опубликована в номинации «Наглядно о ненаглядном» конкурса «био/мол/текст»-2018.
Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.
Поговорим о таком загадочном и важным процессе, как фотосинтез.
В чем же значимость фотосинтеза? Как мы знаем, атмосфера Земли на 78% состоит из азота, на 21% из кислорода, а оставшаяся доля приходится на другие газы, в том числе и на углекислый газ. А теперь представьте, что из воздуха изъяли весь кислород.
Все ли пострадают от такого террора? Нет, только аэробы, то есть существа способные жить и развиваться исключительно при наличии атмосферного кислорода. Мы с вами, большинство животных, все растения и многие микроорганизмы как раз относимся к числу аэробов.
Лишить аэробов кислорода относительно просто. Бóльшая часть этого газа вырабатывается растениями, мы же его потребляем и радостно бежим по дорожке. Если основной поставщик исчезнет, то пропадает и кислород. А мы будем вынуждены надеть скафандр и искать более подходящее место для пробежки.
Кислород в растениях образуется во время фотосинтеза, который представляет собой процесс производства органических веществ с использованием солнечной энергии. Некоторые бактерии также способны к фотосинтезу.
Итак, у нас есть солнышко, которое при излучении выделяет фотоны — частицы электромагнитного излучения. Попадая в клетку, эти частицы запускают синтез глюкозы из воды и углекислого газа. В дальнейшем глюкоза используются для быстрого получения энергии и строительства более сложных углеводов. И наконец, в качестве побочного продукта выделяется тот самый заветный кислород.
Познакомимся с фотосинтезирующими бактериями. Цианобактерии, как и растения, занимаются оксигенным фотосинтезом. Они используют углекислый газ и воду, а выделяют кислород.
В отличие от своих кислородолюбивых собратьев, пурпурные бактерии предпочли аноксигенный фотосинтез с участием сероводорода и образованием свободной серы. Пурпурные не то что не выделяют кислород, но даже избегают его, так как родились анаэробами. Когда в чашку Петри добавляют крошечное количество кислорода, они быстро перемещаются в ту часть, где этого губительного для них газа нет. А вот когда их лишают солнечного света, они дружно бегут на его поиски.
Мы рассмотрим оксигенный фотосинтез в зеленых частях растений. Если взглянуть на лист растения под лупой или микроскопом, то мы увидим, что он состоит из множества клеток, по форме напоминающих многоугольники, а в этих клетках зеленеют хлоропласты. В этих органоидах и происходит фотосинтез.
В хлоропласте выделяют тилакоиды — дисковидные образования, содержащие пигмент хлорофилл, который придает зеленую окраску листьям. Тилакоиды, собранные в стопочку, образуют грану. А вещество, заполняющее пространство между гранами носит название стромы.
Кстати сказать, хлорофилл очень полезен для человека. При его употреблении снижается риск сахарного диабета, артрита и даже онкологических заболеваний. Самой богатой хлорофиллом является трава люцерна. В ней содержатся витамины К, Е, С, бета-каротин, многие микроэлементы и минералы.
Фотосинтез проходит в две стадии: световую и темновую. Для световой фазы необходимо наличие солнечного света, а вот для темновой солнышко роли не играет. Поэтому темновая фаза может проходить и днем, и ночью.
Интересно, что влияние температуры на фотосинтез зависит от интенсивности освещения. Если света мало, фотосинтез идет одинаково при любой температуре. А при высокой освещенности фотосинтез наиболее активно идет в определенных температурных пределах, которые различны для разных растений.
Познакомимся с таким термином, как фотолиз. Фотолиз — это расщепление молекулы воды под действием фотонов. Если взять молекулу воды (H2O) и воздействовать на нее квантами света, то она распадется на катион водорода (H + ) и анион гидроксида (OH – ). Дело в том, что изначально молекула воды электронейтральна, но один из атомов водорода решает отдать свой электрон паре ОН. Электрон заряжен отрицательно, поэтому его потеря приводит к появлению «+» на водороде. А ОН, присоединив лишний электрон, оказывается с «–».
Световая фаза фотосинтеза проходит в тилакоиде. Здесь содержится пигмент хлорофилл, который по своему составу очень похож на гемоглобин крови человека, но вместо атома железа содержит магний.
Фотон света, попадая на хлорофилл, возбуждает электрон магния. В это же время происходит фотолиз воды. Электрон движется к катиону водорода и молекуле аденозиндифосфата (АДФ). АДФ содержит два остатка фосфорной кислоты, а при встрече с электроном присоединяет еще один остаток и превращается в аденозинтрифосфат (АТФ). Молекула АТФ — это энергетическое депо клетки, в ней запасается энергия для всех процессов жизнедеятельности.
Кроме того, электрон присоединяется к катиону водорода и делает из него нейтральный атом, который затем переходит в строму.
Гидроксид-анион жертвует своим электроном, и тот занимает место ушедшего ранее. При этом образуется нейтральный ОН.
Четыре ОН-группы в ходе химической реакции дают две молекулы воды и кислород. Обращаю внимание, что кислород является побочным продуктом.
Газообмен в растениях происходит с помощью специальных отверстий — устьиц. Устьица находятся с обратной стороны листа и, в зависимости от условий окружающей среды, способны уменьшать или увеличивать размер щели. Так выделяется кислород и поглощается углекислый газ.
Кстати, каждый год растения удаляют из тропосферы Земли 1,16×10 15 кг углекислого газа.
Интересно, что кактусы, пытаясь уменьшить испарение воды, которое также происходит через устьица, приспособились открывать отверстия и поглощать углекислый газ ночью, когда не так жарко. СО2 откладывается про запас в специальных пузырьках-вакуолях. Хранится он здесь присоединенным к молекуле-посреднику, которая потом выдерживает еще несколько превращений. В результате получается яблочная кислота. Днем от нее отщепляется СО2, который готов вступить в темновую фазу фотосинтеза.
Темновая фаза идет в строме хлоропласта. В ней участвуют атомы водорода, пришедшие из тилакоида, и молекулы углекислого газа.
Сначала к CO2 присоединяется фермент рибулозобисфосфаткарбоксилаза и преобразует его из неорганического материала в активного участника биологического круговорота. На сегодняшний день эта белковая молекула — единственный фермент на Земле, способный на подобные преобразования.
Для синтеза органического вещества необходима энергия, которая выделяется при отщеплении одного остатка фосфорной кислоты от молекулы АТФ. Та-дам! Мы получили молекулу глюкозы и воду.
Ежегодно в растениях на нашей планете синтезируется 7,88×10 14 кг глюкозы.
Для синтеза одной молекулы глюкозы необходимо 16 фотонов с длиной волны 680 нм. Но так как часть этой энергии рассеивается, для синтеза требуется 60 фотонов. Получается, эффективность фотосинтеза лишь 27,22%.
Несмотря на это, растения в год аккумулируют 1,26×10 19 кДж энергии, что в 3500 раз больше, чем ежегодно потребляют люди на всей планете.
Хлорофилл не единственный пигмент, содержащийся в растениях. Выделяют еще каротиноиды и фикобилины. Эти молекулы тоже поглощают энергию солнечных лучей, но при другой длине волны, и передают энергию этих лучей на молекулы хлорофилла.
Это очень важно для красных водорослей, которые растут на глубине больше 200 метров. В толще воды хлорофилл уже неспособен улавливать солнечные лучи, и фотосинтез идет благодаря фикобилинам. В последнее время ученые уделяют большое внимание красным водорослям, надеясь, что содержащиеся в них сульфатированные углеводы помогут в борьбе со СПИДом.
Фотосинтезом увлекаемся не только мы. Например, морской слизень Elysia chlorotica научился заводить внутри себя хлоропласты. Поедая водоросли, он не переваривает их зеленые органеллы, а ассимилирует их в клетках пищеварительного тракта. После этого начинается процесс фотосинтеза. Хлоропласты снабжают слизня глюкозой, а он, в свою очередь, синтезирует белки, необходимые хлоропластам.
А вот секвойе-альбиносу повезло меньше. Из-за генетической мутации растение оказалось альбиносом. Чтобы выжить без хлорофилла, ей пришлось паразитировать на здоровых деревьях, присоединяя свои корни к чужим.
В это сложно поверить, но большую часть кислорода на Земле вырабатывают такие маленькие существа, как фитоплактон. Они в огромном количестве обитают в океане, а флуоресцентные виды видны даже из космоса.
Комментарий специалиста
Константинова Светлана Викторовна,
к.б.н., ст. преподаватель каф. физиологии растений биологического факультета МГУ
Конкурс «био/мол/текст», цитирую, «ежегодно собирает более сотни участников, отважившихся весело, но корректно рассказать о сложнейших проблемах современной биологии для широкого круга читателей». В представленных статье и видео о фотосинтезе первый пункт выполнен замечательно — рассказ ведется весело и задорно, однако научная часть нуждается в серьезной корректировке. Основные ошибки в представлениях о фотосинтезе кочуют по разным источникам, в том числе их, к сожалению, можно отыскать и в школьных учебниках по биологии за 11 класс.
Итак, попытаемся самые грубые ошибки исправить.
«Для световой фазы необходимо наличие солнечного света, а вот для темновой солнышко роли не играет. Поэтому темновая фаза может проходить и днем, и ночью».
Световая фаза фотосинтеза действительно зависит от света, а вот темновая — это скорее историческое название. Во-первых, темновая фаза фотосинтеза полностью зависит от наличия продуктов световой фазы, и, во-вторых, в темноте ключевые ферменты темновой фазы ингибируются, а в строме хлоропласта идут совсем другие процессы.
«Если света мало, фотосинтез идет одинаково при любой температуре».
Это все же художественное преувеличение — не при любой, но в некоторых температурных пределах, приемлемых для растительного организма. Так, при низкой интенсивности света фотосинтез будет идти одинаково при температурах 15 °С и 25 °С, однако при 5 °С интенсивность фотосинтеза значительно снизится из-за снижения скорости ферментативных реакций.
«Познакомимся с таким термином, как фотолиз. Фотолиз — это расщепление молекулы воды под действием фотонов. Если взять молекулу воды (H2O) и воздействовать на нее квантами света, то она распадется на катион водорода (H + ) и анион гидроксида (OH − ). Дело в том, что изначально молекула воды электронейтральна, но один из атомов водорода решает отдать свой электрон паре ОН. Электрон заряжен отрицательно, поэтому его потеря приводит к появлению “+” на водороде. А ОН, присоединив лишний электрон, оказывается с “−”».
Термин «фотолиз» абсолютно неприемлем для описания процессов, происходящих с водой во время световой фазы фотосинтеза. «Фотолиз» означает распад вещества непосредственно под действием света, однако с водой этого не происходит, иначе фотолиз шел бы у нас в каждом стакане воды. Вода — довольно устойчивое соединение, для ее расщепления на O2 и H2 необходимо либо действие электрического тока, либо очень высокие температуры (выше 1000 °С); ни то, ни другое не характерно для биологических систем. Поэтому термин «фотолиз» при рассказе о световой фазе фотосинтеза некорректен и не должен употребляться. Фотолиз, наверное, одно из самых распространенных заблуждений, связанных с фотосинтезом.
«Здесь содержится пигмент хлорофилл, который по своему составу очень похож на гемоглобин крови человека, но вместо атома железа содержит магний».
Гемоглобин — это белок, содержащий гем, а вот гем, в свою очередь, содержит центральный атом железа. Хлорофилл по своей структуре немного похож на гем, а не на гемоглобин.
«В это же время происходит фотолиз воды. Электрон движется к катиону водорода и молекуле аденозиндифосфата (АДФ). АДФ содержит два остатка фосфорной кислоты, а при встрече с электроном присоединяет еще один остаток и превращается в аденозинтрифосфат (АТФ). Молекула АТФ — это энергетическое депо клетки, в ней запасается энергия для всех процессов жизнедеятельности.
Кроме того, электрон присоединяется к катиону водорода и делает из него нейтральный атом, который затем переходит в строму.
Гидроксид-анион жертвует своим электроном, и тот занимает место ушедшего ранее. При этом образуется нейтральный ОН.
Четыре ОН-группы в ходе химической реакции дают две молекулы воды и кислород».
К сожалению, в описании световой фазы фотосинтеза в этой части статьи нет ни слова правды. Электрон не движется ни к протону, ни к молекуле АДФ. Атомарного водорода и «нейтрального ОН» не образуется. ОН-группы не вступают в реакцию, результатом которой будет образование кислорода и воды.
«Темновая фаза идет в строме хлоропласта. В ней участвуют атомы водорода, пришедшие из тилакоида, и молекулы углекислого газа».
И еще раз повторим, атомарного водорода при фотосинтезе не образуется. Во время работы световой фазы протоны (Н + ) закачиваются во внутреннее пространство тилакоидов и выходят обратно, в строму, в результате работы АТФ-синтазы — фермента, синтезирующего АТФ.
«Сначала к CO2 присоединяется фермент рибулозобисфосфаткарбоксилаза»
Фермент рибулозобисфосфаткарбоксилаза захватывает молекулу СО2, но не присоединяется к ней, а наоборот присоединяет СО2 к молекуле пятиуглеродного сахара — рибулозо-1,5-бисфосфата.
«Для синтеза одной молекулы глюкозы необходимо 16 фотонов с длиной волны 680 нм».
Не очень понятно, откуда такая цифра и почему только фотоны с длиной волны 680 нм. По самым скромным подсчетам, на фиксацию одной молекулы СО2 необходимо затратить 8 квантов света, причем не обязательно с одинаковой длиной волны. Для синтеза одной молекулы глюкозы нужно 6 атомов углерода, то есть 6 молекул СО2, а значит, минимум 6×8=48 фотонов.
«Хлорофилл не единственный пигмент, содержащийся в растениях. Выделяют еще каротиноиды и фикобилины».
Здесь необходимо уточнить, что каротиноиды встречаются у всех фотосинтезирующих организмов, а вот фикобилины — только у некоторых водорослей и цианобактерий.
Внимательный читатель, возможно, подумает, что критиковать-то легко, а вот как же описать фотосинтез «на пальцах», без сложных терминов, чтобы было понятно неспециалистам, а еще лучше — старшеклассникам. Попробуем сделать это в рамках комментария.
Если сформулировать очень кратко, цель фотосинтеза — восстановить очень окисленное соединение СО2 до восстановленного соединения — сахара — с помощью энергии солнечных квантов и электронов от воды.
Действительно, традиционно фотосинтез делится на световую и темновую фазы, однако помним, что название «темновая» — историческое.
Световая фаза фотосинтеза происходит в мембране тилакоидов хлоропласта и полностью зависит от света, так как использует энергию фотонов. Основная задача световой фазы — обеспечить энергией (АТФ) и восстановителем (источником электронов) темновую фазу. Как это происходит?
Квант света (он же фотон) переводит молекулу хлорофилла в возбужденное состояние: это значит, что за счет энергии кванта повышается энергия одного из электронов молекулы хлорофилла, и этот возбужденный электрон может уйти (и уходит!) от хлорофилла по цепочке переносчиков. Практически весь дальнейший путь этого электрона будет связан с окислительно-восстановительными реакциями (переносчик, получающий электрон, восстанавливается, а затем отдает электрон следующему переносчику в цепочке, восстанавливая его, а сам при этом окисляется, и так далее).
Отдавший свой электрон хлорофилл (точнее, здесь совместно работает пара молекул хлорофилла, называемая димером хлорофилла) остается со знаком «+» и становится самым сильным окислителем в биологическом мире, настолько сильным, что может отнять электрон у молекулы воды. В этом процессе участвует специальная структура — водоокисляющий комплекс, в состав которого входят четыре атома Mn, связанные с белком. Четыре марганца водоокисляющего комплекса захватывают одномоментно две молекулы воды, а дальше на каждый квант света, попавший на димер хлорофилла и приведший к уходу от хлорофилла одного возбужденного электрона, от одного из атомов марганца на «димер-с-плюсом» приходит следующий электрон. Следующий квант света — еще один возбужденный электрон уходит в цепь переносчиков от димера, и один электрон приходит на димер от марганца. Так от атомов марганца по одному уходят четыре электрона, каждый из них, попадая на димер хлорофилла, получает дополнительную энергию от фотонов и уходит дальше в цепь переносчиков. Лишившиеся четырех электронов марганцы одномоментно отнимают четыре электрона у двух молекул воды, система возвращается в исходное состояние, захватывает две новые молекулы воды и снова может поставлять электроны на димер хлорофилла. Что же останется от воды? Два атома кислорода соединятся, образуя молекулу O2 — побочный продукт фотосинтеза. А четыре протона (4H + ) остаются во внутритилакоидном пространстве. Этот процесс можно назвать фотоокислением воды, но очевидно, что он не имеет ничего общего с фотолизом.
Оказывается, энергии одного кванта света недостаточно для того, чтобы сделать и восстановитель, и АТФ, поэтому электрон, путешествуя по цепи переносчиков, в некоторый момент попадает на следующий димер хлорофилла. Здесь электрон получает еще одну порцию световой энергии — еще один квант света, — чтобы в конечном итоге через несколько переносчиков попасть на молекулу-восстановителя, которая необходима для превращения СО2 в сахар.
Итак, восстановитель готов! А как же АТФ? Во время путешествия нашего электрона по цепи переносчиков при некоторых окислительно-восстановительных реакциях из стромы во внутреннее пространство тилакоида переносятся протоны (Н + ). Тут надо вспомнить два важных факта, во-первых, внутреннее пространство тилакоида — замкнутое и полностью отделено от стромы мембраной, а во-вторых, в этом же пространстве накапливаются протоны, оставшиеся от воды. Таким образом, внутри тилакоида накапливается много протонов, гораздо больше, чем в строме. И оказывается, что этот «запас» протонов — это одна из форм запасания энергии, так как каждая система стремится к равновесию, и протоны из внутритилакоидного пространства будут стремиться обратно в строму, чтобы сравнять концентрации и «восстановить справедливость». Это стремление протонов восстановить равновесие использует фермент АТФ-синтаза. Понять, как работает АТФ-синтаза, нам поможет великолепный образ — представьте себе гидроэлектростанцию: вода падает с огромной высоты и крутит турбину, энергия падающей воды превращается в механическую энергию вращения турбины, а эта механическая энергия, в свою очередь, превращается в электрическую, которую мы используем на самые разные нужды. Примерно так же работает АТФ-синтаза, только не на воде, а на протонах. Протоны, стремясь вырваться из внутритилакоидного пространства, попадают в специальный канал АТФ-синтазы и, проходя его, раскручивают вращающуюся часть фермента. Энергия, запасенная в разнице концентраций протонов между внутренним пространством тилакоида и стромой, превращается в механическую энергию вращения. Вращение передается на другую часть АТФ-синтазы, которая за счет этой механической энергии присоединяет фосфат к молекуле АДФ, образуя АТФ.
Таким образом, в результате работы световой фазы фотосинтеза благодаря энергии света получаются два основных продукта:
Оба продукта световой фазы используются на следующем этапе при восстановлении СО2. Не забудем и побочный продукт световой фазы фотосинтеза — кислород, благодаря которому жизнь на нашей планете такая, какой мы ее знаем.
Темновая фаза фотосинтеза, во время которой происходит фиксация СО2, носит также название цикла Кальвина — в честь его первооткрывателя, лорда Мелвина Кальвина, который получил за это открытие Нобелевскую премию по химии в 1961 году.
Цикл Кальвина начинается с того, что фермент рибулозобисфосфаткарбоксилаза (РуБисКО или РБФК) присоединяет молекулу СО2 к пятиуглеродному сахару рибулозо-1,5-бисфосфату. Этот цикл удобно рассчитывать сразу на шесть молекул СО2, и, соответственно, 6 молекул рибулозо-1,5-бисфосфата (см. рис). Итак, в результате реакции образуется нестабильное шестиуглеродное соединение (помним, что у нас их получается шесть штук!), которое распадается на два одинаковых трехуглеродных фрагмента (у нас их будет 2×6=12 трехуглеродных фрагментов). Эти трехуглеродные соединения необходимо восстановить — здесь используем АТФ и восстановитель из световой фазы, а затем 10 (из 12-и) восстановленных трехуглеродных соединений вернутся обратно в цикл, специальный набор ферментов сделает из них снова шесть пятиуглеродных сахаров, которые мы видели в самом начале цикла. При этом еще раз придется потратить АТФ. Оставшиеся два восстановленных трехуглеродных соединения дадут нам в итоге желанный сахар.
Цикл Кальвина в виде простейшей схемы. Кружочками показаны атомы углерода.