Процесс фотосинтеза и причем тут маття
Вы задавались вопросом, почему чай сладкий? И вообще откуда в растениях сахар? Да, всему причиной фотосинтез, а именно – кислород, благодаря которому мы живем на этой планете. Все изучали фотосинтез еще в школе, но для того чтобы лучше разобраться как получается чай и что влияет на его качество, давайте немного освежим наши знания.
Фотосинтез – это абсолютно уникальный процесс, настоящее чудо света. Его можно сравнить с феноменом криптовалюты, когда практически из ничего рождается что-то материальное.
Рассмотрим подробнее строение листа.
На поверхности листа образуется тонкий восковой защитный слой, называемый кутикула, который можно сравнить с кожей. Вместе с прочной кожицей листа, эпидермисом, этот слой защищает от вредного воздействия среды и лишнего испарения воды. У молодых чайных листьев также есть маленькие волоски – трихомы, это тоже клетки эпидермы, защищающие молодые листочки от повреждений.
На поверхности эпидермы есть устьица, с помощью них регулируется испарение и газообмен.
Внутри листа расположены палисадные мезофиллы, губчатая ткань и жилки. Последние являются сосудами и играют роль транспортной системы. Жилки состоят из ксилемы и флоэмы. Первая проводит воду и, соответственно, растворенные в ней вещества, а флоэма – синтезированные в процессе фотосинтеза органические вещества, преимущественно сахара.
Губчатые ткани или губчатые мезофиллы расположены ближе к нижней поверхности листа. Они играют аналогичную палисадным мезофиллам роль, но в большей степени сфокусированы на газообмене и транспорте ее веществ внутри листа.
И, наконец, наш главный герой – палисадные мезофиллы. Они, близко прилегая друг к другу, располагаются под верхней эпидермой и состоят из плотно прилегающих цилиндрических клеток, которые обеспечивают эффективный захват света. Палисадный мезофилл тесно взаимодействует с губчатым мезофиллом. В клетках палисадного мезофилла содержится большое количество хлоропластов.
Хлоропласты – это органеллы, которые участвуют в процессе фотосинтеза, позволяя растениям преобразовывать световую энергию в химическую.
В хлоропласте содержатся:
• Белки, в том числе участвующие в фотосинтезе, такие как RuBisCO.
• Жиры (липиды). Они обеспечивают структурную основу и участвуют в формировании фотосинтетической мембраны.
• Крахмал – в виде запасного продукта фотосинтеза. Накапливается в виде нерастворимых гранул в строме хлоропласта.
• Минеральные элементы: магний, железо, марганец, азот, фосфор, медь и сера. Они необходимы для активности и стабильности фотосинтетических белков и ферментов.
В условиях недостаточного освещения в тканях образуются этиопласты, которые содержат липиды. При затенении хлоропласты могут превратиться обратно в этиопласты, при этом белки, необходимые для фотосинтеза, будут использованы для роста. В стареющих листьях хлоропласт разбирается на составные части, белки расщепляются на аминокислоты. Жирные кислоты липидов превращаются в сахара. После этого происходит отток этих веществ в запасы, а каротиноиды не перерабатываются, и листья выглядят желтыми.
Пространство внутри хлоропласта называется строма. В нем находятся растворимые ферменты, рибосомы, ДНК хлоропласта и другие молекулы, необходимые для синтеза белка и проведения темновой реакции фотосинтеза. Внутри стромы находятся мембраны, похожие на блины, которые называются тилакоиды. Они располагаются в виде стопок, называемых «граны».
Тилакоидные мембраны содержат пигменты, в том числе хлорофилл и каротиноиды, которые участвуют в световых реакциях фотосинтеза. В этих мембранах происходит поглощение световой энергии и ее преобразование в химическую энергию в форме АТФ и НАДФН.
Именно здесь создается сахар и кислород.
Хлорофилл состоит из центральной молекулы магния и азотистых комплексов, поэтому без достаточного количества азота растения не могут синтезировать необходимое количество хлорофилла для фотосинтеза.
Он имеет уникальную способность поглощать свет в красной и синей частях спектра, которые наиболее эффективно используются растением для преобразования света в химическую энергию. Зеленая часть спектра отражается, и это придает растениям зеленый цвет. Поглощение света приводит к возбуждению электронов в молекуле хлорофилла. На самом деле хлорофиллов два, они почти близнецы. Основной хлорофилл А – входит в состав реакционных центров, а хлорофилл B выполняет дополнительную антенную функцию. Хлорофилл А имеет темно-зеленую окраску, B – желтовато-зеленую. Наконец мы добрались до процесса фотосинтеза, который делится на две фазы: световую и темновую. Световая происходит с участием света в мембранах тилакоидов с помощью пигмента белкового комплекса. Темновая, несмотря на название, также происходит днем, в строме хлоропластов, но без непосредственного участия света.
ДЕЙСТВИЕ 1. СВЕТОВАЯ ФАЗА
Хлорофилл ловит синий или красный квант света, переходит в возбужденное состояние и передает энергию в реакционный центр.
Здесь происходит преобразование энергии света в энергию перемещения электрона и разделения зарядов – молекула воды теряет электрон, это приводит к созданию кислорода и ионов водорода. Одновременно с этим процессом происходит перенос электронов по электронно-транспортной цепи. В результате синтезируются молекулы АТФ и НАДФН.
АТФ является носителем энергии для дальнейшего метаболизма. НАДФН несет два электрона и участвует в следующих реакциях как восстановитель. Они попадают в темновую фазу для восстановления углекислого газа, который поступает в цикл Кальвина.
ДЕЙСТВИЕ 2. ТЕМНОВАЯ ФАЗА
Темновая фаза фотосинтеза (углеродный цикл) получила свое название потому, что в течение короткого времени может протекать в отсутствии света до тех пор, пока не израсходуются АТФ и НАДФН.
В этом цикле пятиуглеродный сахар вступает в реакцию с углекислым газом с помощью фермента RuBisCO, самого распространенного белка на Земле (насчитывает 10 миллионов тонн). Эта реакция приводит к образованию нестабильного шести-углеродного соединения, которое немедленно распадается на две молекулы фосфорно-глицериновой кислоты.
Получившиеся молекулы вступают в реакцию с АТФ и НДАФН, в результате чего образуется трехуглеродный сахар. Он, в свою очередь, идет на восстановление RuBP, но некоторые молекулы ГАФ выходят из цикла и преобразуются в глюкозу, другие углеводы, а также в аминокислоты через ряд дополнительных реакций.
И, наконец, образованная в процессе фотосинтеза глюкоза обеспечивает энергией все остальные клеточные процессы растения, а также придает сладость чаю.
Формулу фотосинтеза можно выразить как:
