Происходит фотолиз воды: Фотолиз воды при фотосинтезе

Фотосинтез

К содержанию

Фотосинтез — процесс синтеза органических веществ за счет энергии света.
Организмы, которые способны из неорганических соединений синтезировать органические вещества, называют автотрофными. Фотосинтез свойственен только клеткам автотрофных организмов. Гетеротрофные организмы не способны синтезировать органические вещества из неорганических соединений.
Клетки зеленых растений и некоторых бактерий имеют специальные структуры и комплексы химических веществ, которые позволяют им улавливать энергию солнечного света.

Роль хлоропластов в фотосинтезе

В клетках растений имеются микроскопические образования — хлоропласты. Это органоиды, в которых происходит поглощение энергии и света и превращение ее в энергию АТФ и иных молекул — носителей энергии. В гранах хлоропластов содержится хлорофилл — сложное органическое вещество. Хлорофилл улавливает энергию света для использования ее в процессах биосинтеза глюкозы и других органических веществ. Ферменты, необходимые для синтеза глюкозы, расположены также в хлоропластах.

Световая фаза фотосинтеза

Квант красного света, поглощенный хлорофиллом, переводит электрон в возбужденное состояние. Возбужденный светом электрон приобретает большой запас энергии, вследствие чего перемещается на более высокий энергетический уровень. Возбужденный светом электрон можно сравнить с камнем, поднятым на высоту, который также приобретает потенциальную энергию. Он теряет ее, падая с высоты. Возбужденный электрон, как по ступеням, перемещается по цепи сложных органических соединений, встроенных в хлоропласт. Перемещаясь с одной ступени на другую, электрон теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ. Растративший энергию электрон возвращается к хлорофиллу. Новая порция световой энергии вновь возбуждает электрон хлорофилла. Он снова проходит по тому же пути, расходуя энергию на образования молекул АТФ.
Ионы водорода и электроны, необходимые для восстановления молекул-носителей энергии, образуются при расщеплении молекул воды. Расщепление молекул воды в хлоропластах осуществляется специальным белком под воздействием света. Называется этот процесс фотолизом воды.
Таким образом, энергия солнечного света непосредственно используется растительной клеткой для:
1. возбуждения электронов хлорофилла, энергия которых далее расходуется на образование АТФ и других молекул-носителей энергии;
2. фотолиза воды, поставляющего ионы водорода и электроны в световую фазу фотосинтеза.
При этом выделяется кислород как побочный продукт реакций фотолиза. Этап, в течение которого за счет энергии света образуются богатые энергией соединения — АТФ и молекулы-носители энергии, называют световой фазой фотосинтеза.

Темновая фаза фотосинтеза

В хлоропластах есть пятиуглеродные сахара, один из которых рибулозодифосфат, является акцептором углекислого газа. Особый фермент связывает пятиуглеродный сахар с углекислым газом воздуха. При этом образуется соединения, которые ща счет энергии АТФ и иных молекул-носителей энергии восстанавливаются до шестиуглеродной молекулы глюкозы. Таким образом, энергия света, преобразованная в течение световой фазы в энергию АТФ и иных молекул-носителей энергии, используется для синтеза глюкозы. Эти процессы могут идти в темноте.
Из растительных клеток удалось выделить хлоропласты, которые в пробирке под действием света осуществляли фотосинтез — образовывали новые молекулы глюкозы, при этом поглощали углекислый газ. Если прекращали освещать хлоропласты, то приостанавливался и синтез глюкозы. Однако если к хлоропластам добавляли АТФ и восстановленные молекулы-носители энергии, то синтез глюкозы возобновлялся и мог идти в темноте. Это означает, что свет действительно нужен только для синтеза АТФ и зарядки молекул-носителей энергии. Поглощение углекислого газа и образование глюкозы в растениях называют темновой фазой фотосинтеза, поскольку она может идти в темноте.
Интенсивное освещение, повышенное содержание углекислого газа в воздухе приводят к повышению активности фотосинтеза.

Другие заметки по биологии

Полезная информация?

Этап фотосинтеза приспособили для производства водорода напрямую

Развитие водородной энергетики, которая всё никак не сменит углеводородную, упирается в одну проблему – где брать водород? Австралийцы взяли пример с растений и научились напрямую использовать для его получения солнечный свет, без необходимости сначала производить электричество, а потом использовать его для электролиза воды.

Когда-нибудь автомобили и самолеты перейдут на водород в качестве топлива. Однако если сегодня человечество научилось более или менее эффективно преобразовывать энергию окисления водорода в электричество и даже придумало несколько способов транспортировки и хранения водорода, то каким образом его добывать, непонятно до сих пор.

Основным способом получения водорода в наше время является паровая конверсия метана, когда разогретый до нескольких сот градусов Цельсия водяной пар реагирует с метаном и превращается в смесь угарного газа и водорода. Однако получаемый таким образом водород малопригоден для использования в топливных элементах: даже микропримеси CO являются сильными каталитическими ядами, резко снижающими эффективность катализаторов в топливных элементах. Да и метан сам по себе является невозобновимым ресурсом, и рано или поздно человечество будет вынуждено отказаться от него.

Поэтому уже сейчас понятно, что добывать водород для нужд энергетики придется с помощью старого доброго электролиза воды. Трудностей на пути массового производства водорода из воды достаточно. Начиная с того, что из-за сложности и многообразия химических процессов на электродах затрачивать на электролиз приходится в полтора раза больше энергии, чем теоретически можно получить обратно в реакции каталитического окисления. И заканчивая тем, что электролиз подразумевает использование чистой пресной воды, нехватку которой человечество ощущает уже сейчас. Научиться эффективно опреснять морскую воду нам еще предстоит.

Не пытаясь решить всех проблем сразу, международная группа ученых во главе с Леоном Спиццией, профессором Монашеского университета в австралийском Мельбурне, опубликовала в последнем выпуске международного издания журнала Angewandte Chemie статью, в которой

предложила использовать на одной из стадий разложения воды реакцию фотолиза воды, то есть расщепления её молекул с помощью света.

Такая реакция происходит во всех растениях, от одноклеточных водорослей до вековых деревьев, и приводит к поглощению растением углекислого газа и воды с выделением кислорода и усвоением углеводов под действием солнечного света.

Растения обладают специфическим каталитическим центром, в котором окисление воды происходит исключительно под действием света. Структурные исследования прежних лет выявили, что центр этот имеет кубическую геометрию и состав {CaMn3O4} и связан с четвертым атомом марганца через дополнительную оксогруппу (-O-). Химики уже пытались воссоздать подобный каталитический центр in vitro, но до сих пор ни один из этих искаженных или неполных кубических элементов не показал способности к фотоокислению воды.

Предыдущие работы научной группы Спицции были посвящены синтезу целого семейства комплексных соединений, основу которых составил кубический элемент {Mn4O4}n+. В высших степенях окисления этот кубический элемент проявляет очень большую окислительную способность, разрывая даже очень сильные связи кислород-водород и азот-водород.

Кроме того, команда Спицции синтезировала различные комплексные соединения с ядром из кубического марганцево-кислородного элемента [Mn4O4L6], где в качестве лигандов L — используются различные диарилфосфинатные анионы. Эти комплексы на основе марганцево-кислородного кубического ядра уникальны своей способностью высвобождать молекулярный кислород при возбуждении светом.

close

100%

Процесс идет наиболее эффективно при облучении фиолетовым светом с длиной волны 350 нм. Он включает в себя высвобождение двух из четырех атомов кислорода, образующих ядро, а также отсоединение одного из шести лигандов.

Впоследствии комплекс полностью восстанавливается, присоединяя к себе утраченный лиганд и две молекулы воды и высвобождая четыре протона – то есть ядра атомов водорода – в последовательных стадиях депротонирования.

Проблема реализации замкнутого каталитического цикла на основе подобного катализатора заключается в том, что описанные реакции возможны только в газовой фазе. А вот в конденсированном состоянии энергии света оказывается недостаточно для отрыва молекулы кислорода.

Кроме того, комплексные соединения на основе кубического ядра из марганца и кислорода нерастворимы в воде и большинстве органических растворителей, что сильно осложняло исследователям жизнь при изучении взаимодействия подобных комплексов с водой при освещении.

close

100%

Преодолеть эту трудность помог замечательный мембранный материал Nafion производства американской корпорации Du Pont. Этот материал представляет собой полимерную мембрану с порами, заполненными молекулами воды. Поры образованы гидрофильными, то есть притягивающими молекулы воды, участками полимерной цепи, а разделены между собой участками гидрофобными, то есть отталкивающими воду.

С помощью реакции ионного обмена ученым удалось поместить комплексные соединения с кубическим ядром в гидрофобные участки мембраны и закрепить их там за счет взаимодействия лигандов с матрицей полимера. При этом активный центр катализатора сохраняет доступ к воде в порах полимера. Поры же в материале Nafion объединены в каналы, по которым и переносятся ионы водорода Н+.

Дальнейшие процедуры по созданию установки по окислению воды выглядят следующим образом. Жидкий Nafion с встроенными в него комплексами катализатора выливают на подложку из стеклоуглерода, где тот затвердевает и, таким образом, функционализирует рабочий электрод электролизера. Электрод опускается в емкость с деионизованной водой и между ним и электродом сравнения создается разность потенциалов примерно.

При освещении электрода светом происходит резкое увеличение тока, которое связано с протеканием реакций окисления молекул воды.

Если же освещение выключить, то протекание электрического тока прекращается, что говорит об окончании реакции окисления воды.

close

100%

Nafion

Мембрана Nafion представляет собой сополимер тетрафторэтилена и мономера, имеющего боковые цепи перфторированного винилового эфира, оканчивающиеся сульфогруппами.

В процессе этой реакции кислород высвобождается в молекулярной форме, тогда как ионы водорода через каналы в Nafion’е двигаются к катоду. Достигая поверхности электрода, ионы получают электроны и преобразуются в молекулярный водород.

К достоинству подобного метода получения водорода относится отсутствие необходимости в больших напряжениях – разница потенциалов между электродами составляет примерно 1 В – и энергозатратах, характерных для обычного электролиза. Для расщепления воды на O2 и 4Н+ достаточно осветить электрод видимым светом, а электрическое напряжение прикладывается исключительно для восстановления 2Н+ до молекулы водорода.

Кроме того, кубические анионы на основе марганца и кислорода гораздо дольше сохраняют свою эффективность, будучи закреплены в полимерной матрице, чем если бы они были растворены в составе комплексного соединения в неводном растворителе. Растворенные комплексы при постоянном отщеплении и присоединении одного из лигандов постепенно полимеризуются, и в итоге количество молекул, принимающих участие в фотоокислении воды, снижается. С закреплёнными в матрице такого не происходит.

Сумев воспроизвести в некое подобие природного механизма окисления воды,

ученые могут пока что только развести руками в ответ на вопрос о механизме такого превращения.

Изучению данной реакции воды с искусственными кубическими марганцево-кислородными окислителями будут посвящены их ближайшие работы.

И это лишь первый шаг на пути освоения природного механизма фотоокисления воды, который эволюционировал в течение миллиардов лет. По современным подсчетам, у человечества, чтобы слезть с нефтегазовой иглы, есть лишь несколько десятилетий.

биохимия — Фотолиз воды?

Задавать вопрос

спросил

Изменено
4 года, 10 месяцев назад

Просмотрено
6к раз

$\begingroup$

9- +O_{2(г)}$. Почему это? Как $H_2$ просто ионизируется?

Кроме того, что есть механизм фотолиза? Я бы подумал, что расщепление молекул воды требует тонны энергии; и все же это может быть достигнуто просто с помощью световой энергии во время фотосинтеза?

  • биохимия
  • фотосинтез

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Вода расщепляется в хлоропластах в световой реакции фотосинтеза . Хлорофилл, действуя как фотопигмент, улавливает солнечный свет и передает эту энергию электронной паре молекулы воды. Под действием фермента, расщепляющего воду (George et al, 1989), он разделяется на 2 протона, молекулярный кислород и свободную электронную пару.

Ссылка
George et al. Наука 1989; 243 (4892): 789-91

$\endgroup$

$\begingroup$

Расщепление воды в хлоропластах катализируется комплексом выделения кислорода. Все дело в окислительно-восстановительных реакциях, но в целом водород является менее электроотрицательным из биологических элементов, поэтому он легко ионизируется во многих жизненных реакциях.

$\endgroup$

Зарегистрируйтесь или войдите

Зарегистрироваться через Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

[Решено] Рассмотрим следующие процессы: (A) Фотолиз воды

Рассмотрим следующие процессы:

(A) Фотолиз воды

(B) Фотофосфорилирование

(C) Восстановление двуокиси углерода

(D) Образование НАДФН 2

Какие из них происходят при световой реакции фотосинтеза?

  1. Только (A) и (B)
  2. Только (A), (B) и (C)
  3. Только (A), (B) и (D)
  4. (A), (B), ( C) и (D)

Вариант 3: Только (A), (B) и (D)

Бесплатно

CT 1: История Индии

35,9 тыс. пользователей

10 вопросов

10 баллов

6 минут

Концепт —

Световая реакция фотосинтеза:

  • В световой реакции фотосинтеза свет поглощается, а энергия используется для образования НАДФН путем выталкивания электронов из воды и протонов через мембрану.
  • Эти протоны используются для создания АТФ с помощью АТФ-синтазы.
  • Обычно это происходит в гранах хлоропластов.
  • ​ Хлорофилл в тилакоидной мембране хлоропластов поглощает солнечную энергию.
    • Свет поглощается хлорофиллом, формой фотосинтетического пигмента, который преобразует свет в химическую энергию в гранулах хлоропласта.
    • При соединении с водой (H 2 O) молекулы кислорода и водорода распадаются.
  • Основными событиями световой реакции фотосинтеза являются —
    • Фотолиз воды — вода расщепляется на водород и кислород.
    • Образование АТФ и НАДФН/НАДФН 2
    • Фотофосфорилирование — использование энергии света для преобразования АДФ в АТФ.

 

  • Световая реакция улавливает солнечную энергию и превращает ее в химическую энергию, которая запасается в НАДФН/НАДФ3 и АТФ.
  • В качестве побочного продукта выделяется кислород.

Объяснение —

  • В световой реакции фотосинтеза происходят три основных события —
    • Фотолиз воды — вода расщепляется на водород и кислород.
    • Образование АТФ и НАДФН/НАДФ3
    • Фотофосфорилирование — Использование энергии света для преобразования АДФ в АТФ.

Следовательно, правильный ответ на этот вопрос — Только (A), (B) и (D)

Дополнительная информация

Этапы реакции света:

  • Начальная стадия фотосинтеза — это световая реакция, которая преобразует солнечную энергию в химическую энергию в виде АТФ и НАДФН.
  • НАДФН и АТФ производятся с помощью белковых комплексов и молекул пигмента.
  • Углекислый газ преобразуется в молекулы углеводов с помощью химической энергии, приобретаемой в ходе процессов.
  • Энергия света расщепляется в воде (фотолиз) и удаляет электроны из фотосистемы II
  • Затем электроны переходят от PSII к b6f (цитохрому) и фотосистеме I (PSI) и уменьшаются в энергетической форме.
  • Затем энергия передается двухэлектронным транспортным цепям, которые производят АТФ и НАДФН.
  • В Фотосистемах I электроны повторно заряжены, и высокоэнергетические электроны превращают НАДФ+ в НАДФН.
  • При нециклическом фотофосфорилировании цитохром использует энергию электронов Фотосистемы II для перекачки ионов водорода из просвета в строму; позже эта энергия позволяет АТФ-синтазе присоединиться к
  • Третья фосфатная группа молекулы АДФ, образующая молекулу АДФ.
  • Во время циклического фотофосфорилирования цитохром b6f использует энергию электронов фотосистем I и II для создания некоторого количества АТФ, при этом останавливая образование НАДФН, обеспечивая поддержание правильного количества АТФ и НАДФН.
  • В процессе используется вода и выделяется кислород.
  • Таким образом, световые реакции используют световую энергию для управления переносом электронов и перекачкой протонов, преобразуя энергию света в биологически полезную форму АТФ и производя жизнеспособный источник снижения мощности НАДФН.