Mavzu: Xloroplastlarda fotosintez jarayonining kechishi. Reja

Fotosintez (foto... va sintez) — yuksak oʻsimliklar, suvoʻtlar va ayrim fotosintezlovchi bakteriyalarda xlorofill va boshqa fotosintetik pigmentlar oʻzlashtiradigan yorugʻlik energiyasi hisobiga oddiy birikmalardan murakkab moddalar hosil boʻlishi. F. tabiatda sodir boʻladigan eng, muhim biologik jarayonlardan biri. F.da quyosh energiyasi organik birikmalardagi kimyoviy energiyaga aylanadi. F.da hosil boʻlgan organik birikmalar barcha tirik organizmlar uchun asosiy hayot manbai hisoblanadi. F.da barcha tirik organizmlarning nafas olishi uchun zarur boʻlgan kislorod atmosferaga ajralib chikadi. F. haqidagi dastlabki maʼlumotlar ingliz botanigi va kimyogari S. Geyls (1727), rus olimi M.V.Lomonosov (1753) ishlarida keltiriladi. Ammo F.ni tajribalar orqali oʻrganish ingliz kimyogari J.Pristli (1771), golland tabiatshunosi J.Senebye (1782), shveysariyalik olim T. Sossyur (1804) va boshqalarning ishlari bilan boshlandi. Nemis fiziologi Yu.Saks (1863) barglardagi xloroplastlarda kraxmal sintezlanishini koʻrsatadi. F.da kislorod hosil boʻlishi jarayonini nemis fiziologi T.V.Engelman (1881) oʻrgangan. F.da yorugʻlik nurining ahamiyati 19-asrning oʻrtalaridan oʻrganila boshlandi. Rus olimi K.A.Timiryazev (1875) yorugʻlik energiyasining oʻsimlikdagi xlorofill orqali fotosintetik oʻzgarishlar jarayonida ishtirok etishini koʻrsatdi. 19-asrning oʻrtalaridan boshlab F.ni oʻrganishda yangi metodlar (gaz analizi, izotop metodi, spektroskopiya, elektron mikroskopiya usullari va boshqalar) qoʻllanila boshlangandan soʻng F.da xlorofillning qatnashish mexanizmlari ishlab chiqildi.
Rus biokimyogari A.N.Bax (1893) F. da SO2 assimilyatsiyasi suv vodorodi va gidroksil guruhi ishtirokidagi oksidlanishqaytarilish jarayonidan iborat ekanligi haqida fikr bildirdi.
Gollandiyalik mikrobiolog K. B. Van Nil bakteriyalar va oʻsimliklar F.ini solishtirib, birlamchi F.ning fotokimyoviy jarayoni suvning dissotsialanishidan iboratligini aniqladi. Fotosintezlovchi bakteriyalar (sianobakteriyalardan tashqari) H2S, N2, SN3 va boshqa qaytaruvchilarga muhtoj boʻlgani uchun kislorod ajratmaydi. F.ning bu xili fotoreduksiya deyiladi. Yashil yoki purpur oltingugurt bakteriyalari uchun F.ning umumiy formulasi quyidagicha boʻladi.
F.ning dastlabki jarayonlari xloroplastlar tilakoidlarida roʻy beradi; uglevodlar esa stromada sintezlanadi. Keyinchalik AQSH olimi D.I.Arnon xloroplastlar membranasini ajratib olib, uning stromasida NADFN va ADF ishtirokida SO2 assimilyatsiyasi roʻy berishini kuzatadi: SO2 +ADF + " [ S]uglevod qorongʻulikFotosintezlovchi bakteriyalar molekulyar kislorod ajratmaydi va kabul qilmaydi; ularning koʻpchiligi anaerob oziklanadi. Turli xil organizmlardagi F. jarayonining umumiy sxemasi quyidagicha:Bunda DN2 — donor, A — akseptor, AN2 — fotosintez mahsuloti.
Fotosintez sistemasi xlorplastlarda joylashgan (qarang Xloroplastlar). F. apparatining eng muhim komponenti xlorofill xlorofillin va ikki karbon kislotasi murakkab efiridan iborat. Uning yashil rangi tarkibidagi magniy ionlariga bogʻliq. F.da karotinoidlar ham qatnashadi. Karotinoidlar koʻkbinafsha va koʻk (480— 530 nm) nurlarni yutib, ular energiyasini xlorofill ("ya")ga uzatadi. 400 dan ortiq karotinoidlar aniqlangan. Koʻkyashil suvoʻtlar (sianobakteriyalar), qizil suvoʻtlar va ayrim dengiz kriptomonadalarida xlorofill "a" va karotinoidlar bilan birga fikobilin pigmentlari ham bor. Ular xlorofill yutishi mumkin boʻlgan nurlar maksimumi oraligʻidagi nurlarni yutadi. Oʻsimliklarda F.da fikobilinlardan fitoxrom pigmenti ham qatnashadi. Fitoxrom, asosan, qizil va infraqizil nurlarni yutib, xlorofillga uzatadi. F.ning yorugʻlik bosqichida xlorofill molekulasi tomonidan boshqa pigmentlar (xlorofill "", karotinoidlar, fikobilinlar) ishtirokida yorugʻlik energiyasi yutilib, bu energiya ADF va NADF birikmalarining kimyoviy yoruglik energiyasiga aylanadi. Xlorofill yorugʻlik energiyasini kvantlar yoki fotonlar holida yutadi. Yutilgan energiya taʼsirida xlorofilldagi elektronlar qoʻzgʻalgan holatga oʻtadi. Bunda elektron asosiy (S0) pogʻonadan birinchi singlet (S1) pogʻonaga oʻtadi. Bu jarayon juda kiska vaqt (10"9 sek) davom etadi. Shu qisqa vaqt davomida elektron oʻz energiyasini sarflab, kvant yutadigan holat (S1—>S°) ga qaytadi. Agar elektron toʻlqin uzunligi ultrabinafsha nurlardan bir kvant yutsa, yanada yuqoriroq singlet (S2) pogona (S°"S2)ra oʻtadi. Shundan soʻng qisqa vaqt ichida (10 13 sek) elektronlar ikkinchi singlet birinchi pogʻonaga (S2—>S’) tushadi. Kvant energiyasining bir qismi esa issiqlikka aylanadi. Fotokimyoviy jarayonlarda, asosan, birinchi singlet (S1) holatdagi elektronlar, ayrim xrllarda triplet (T1) holatdagi elektronlar ishtirok etadi. Shunday qilib, xlorofill molekulasi yutgan kvant energiya, asosan, F. reaksiyalari uchun sarf boʻladi va molekuladan yorugʻlik yoki issiklik energiyasi holida ajraladi. F. reaksiyalarida yorugʻlik energiyasining samaradorligi yutilgan kvant hisobiga ajralib chiqqan O2 yoki oʻzlashtirilgan SO2 miqdori bilan belgilanadi. F.da bir molekula SO2 toʻla oʻzlashtirilishi uchun 502 kJ energiya sarflanadi. Agar har bir kvant nur 171 kJ energiyaga ega boʻlishi hisobga olinadigan boʻlsa, u holda SO2+N2O—> [SN2O] + O2 jarayonining toʻla amalga oshishi uchun 700 nm uzunlikdagi 3 kvant nur zarur. Pekin yutilgan kizil nurlarning foydali ish koeffitsiyenta 40% boʻlganidan bir molekula SO2 oʻzlashtirilishi uchun 8 kvant nur zarur. R. Emerson (1957) xlorella suv oʻtida oʻtkazgan tajribalarida nurlarning aralash spektrlarida F.ning samaradorligini aniqladi. Mac, 710 nm qizil nurdan 1000 kvant yutilganda 20 mol. O2, 650 nm nurlar uchun esa bu koʻrsatkich 100 molekula O2ga teng boʻladi. 710 va 650 nm nurlar bir vaqtning oʻzida taʼsir etganda 160 mol O2 ajralib chiqqan. Bu hodisa Emerson effekti deyiladi.
F. oʻsimliklar mahsuldorligini belgilovchi jarayon. F. mahsuldorligi 1 m2 barg yuzasi hisobiga 1 soat davomida oʻzlashtirilgan SO2 yoki hosil boʻlgan organik modda miqdori bilan belgilanadi. F.ning sof mahsuldorligi esa oʻsimlik quruq massasining uning barglari yuzasi hisobiga bir kechakunduz davomidagi miqdoriy ortishi tushuniladi. Koʻpchilik hollarda ushbu koʻrsatkich 5—12 g/m2 ga yaqin. Yorugʻlik — F.ni asosiy harakatga keltiruvchi kuch. Yorugʻlik nurlarining fotosintetik faol (400—700 nm) qismini 80— 85% koʻzga koʻrinadigan nurlar va 25% ini infraqizil nurlar tashkil etadi; jami Quyosh nurining 55% ini barglar yutadi. Ammo fakat ularning 1,5—2% F. jarayoniga sarflanadi va issiklik holida tarqaladi. F. jarayoni har xil oʻsimliklarda bir xil tezlikda bormaydi. Mas, yorugʻsevar oʻsimliklar uchun ushbu koʻrsatkich 10000— 40000 lyuks boʻlsa, soyaga chidamli oʻsimliklar uchun 10 baravar kam — 1000 lyuksdir. Yorugʻlik miqdorining biror oʻsimlik uchun haddan tashqari koʻp boʻlishi xlorofill va xloroplastlarning yemirilishi hamda mahsuldorlikning pasayishiga olib keladi. F.da sarf boʻlgan SO2 miqdorining nafas olishda ajralib chiqqan SO2 miqdoriga teng boʻlgan yorugʻlik darajasi yoruglikning kompensatsion nuqtasi deyiladi. Oʻsimliklarning oʻsishi va rivojlanishi uchun yorugʻlik miqdori kompensatsion nuqtadagiga nisbatan birmuncha yuqori boʻlishi lozim. F.da nurlarning spektral tarkibi ham katta ahamiyatga ega. Katta energiyaga ega boʻlgan kizil nurlar taʼsirida F. juda tezlashadi. Koʻk nurlar energiyaga boy boʻladi, lekin oʻsimlik bu nurlardan fotokimyoviy reaksiyalarda foydalangunicha energiyaning bir qismi issiklik energiyasiga aylanib tarqalib ketadi. Shuning uchun koʻk nurlarning samaradorligi past boʻladi. Agar oʻsimlikka qizil va koʻk nurlar 1:4 nisbatda taʼsir ettirilsa, F. jadallashib, uning samaradorligi oshadi. F. uchun zarur boʻlgan SO2 gazining atmosfera havosidagi miqdori nisbatan kam (0,03%). Atmosferada SO2 miqdori 0,008% boʻlganda F. boshlanadi. Bu gaz miqdori oshib borishi bilan F. ham jadallashib 0,3% koʻrsatkichda eng yuqori darajaga yetadi. Shuning uchun issiqxona oʻsimliklarini SO, bilan qoʻshimcha oziqlantirish hisobiga hosildorlikni oshirish mumkin.
Suv — F.da ishtirok etuvchi moddalardan biri, O2 va N2 ning manbai hisoblanadi. Oʻsimlikning suv bilan doimiy taʼminlanishi barg ogʻizchalarining faoliyatini belgilaydi. Barcha biokimyoviy va fiziologik jarayonlarning jadalligi hujayralarning suv bilan taʼminlanishiga bevosita bogʻliq. Suv yetishmasligi F.da elektronlarning halqali va halqasiz tashilishiga hamda fosforlanishga salbiy taʼsir etadi.
Ildiz tuprokdan turli xil oziq elementlarini oʻzlashtiradi. Bu elementlar hujayra va uning tuzilmalari tarkibiga kiradi. Oʻsimlikning havodan va ildizdan oziqlanishi oʻzaro uzviy bogʻliq. Mac, azot va fosfor xloroplastlarning shakllanishida hamda ularda kechadigan jarayonlarda faol ishtirok etadi. Bu elementlar yetishmasa xloroplastlar tuzilishida va funksiyasida chuqur oʻzgarishlar sodir boʻladi. F. aerob sharoitda oʻtishi tufayli ushbu jarayonda kislorod muxim ahamiyatga ega. Bu esa oʻsimlikning kislorod bilan muqobil taʼminlanishini talab qiladi. Ammo havoda kislorodning koʻpayib ketishi F.ga salbiy taʼsir koʻrsatishi mumkin. Hosildorlikni koʻpaytirish uchun oʻsimlikning quyosh nuridan foydalanish koeffitsiyentini oshirish zarur. Bunda har bir oʻsimlik uchun SO2 suv va tuproqdagi oziq moddalar yetarli miqdorda boʻlishi zarur.
F.ning jadalligi bargning anatomik tuzilishi, ferment sistemasining faolligi va boshqa omillarga bogʻliq. F. jadalligini oshirishda oʻsimliklar seleksiyasining ham ahamiyati katta. Chunki SO2 ni tez oʻzlashtira oladigan va hosil boʻlgan organik moddalardan samarali foydalanadigan yangi navlarni yaratish mumkin.
F. tabiatda eng muxim biologik jarayonlardan biri. F. tufayli har yili quruqlikda 100—172 mlrd. t, dengiz va okeanlarda 60—70 mlrd. t (quruq ogʻirlikka nisbatan) organik modda hosil boʻladi. F. tufayli atmosferadagi SO2 miqdori doimiy (0,03%) saqlanib turadi. F. natijasida bir yil davomida atmosferaga tirik organizmlar nafas olishi uchun zarur boʻlgan 70— 120 mlrd. t. ga yakin erkin kislorod ajraladi. Bu jarayonda oʻrmonlar, ayniqsa katta ahamiyatga ega. Mas, 1 ga oʻrmon daraxtlari bahor va yoz oylarida 1 kishi nafas olishi uchun yetarli miqdorda kislorod ajratadi. Kislorod atmosferaning yuqori (25 km) qatlamida ozon (O3) halqani hosil qilib, tirik organizmlarni ultrabinafsha nurlardan himoya qiladi (qarang Ozon). F. energetikasi hamda mexanizmini oʻrganish kelajakda kishilik jamiyatini energiya va oziq-ovqat, ishlab chiqarishni xom ashyo bilan taʼminlash masalasini hal etishda juda katta ahamiyatga ega.
Fotosintez - yorug'lik energiyasini kimyoviy bog'lanish energiyasiga aylantirish. organik birikmalar.
Fotosintez oʻsimliklarga, jumladan, barcha suvoʻtlarga, bir qator prokariotlarga, jumladan siyanobakteriyalarga va baʼzi bir hujayrali eukariotlarga xosdir.
Aksariyat hollarda fotosintez qo'shimcha mahsulot sifatida kislorod (O2) hosil qiladi. Biroq, bu har doim ham shunday emas, chunki fotosintezning bir necha xil yo'llari mavjud. Kislorodni chiqarishda uning manbai suv bo'lib, undan fotosintez ehtiyojlari uchun vodorod atomlari bo'linadi.
Fotosintez koʻplab reaksiyalardan iborat boʻlib, ularda turli pigmentlar, fermentlar, kofermentlar va boshqalar ishtirok etadi.Asosiy pigmentlar xlorofillar, ulardan tashqari karotinoidlar va fikobilinlardir.
Tabiatda o'simliklar fotosintezining ikkita usuli keng tarqalgan: C 3 va C 4. Boshqa organizmlarning o'ziga xos reaktsiyalari mavjud. Ushbu turli jarayonlarni "fotosintez" atamasi ostida birlashtiradigan narsa shundaki, ularning barchasida, umuman olganda, foton energiyasini kimyoviy bog'lanishga aylantirish sodir bo'ladi. Taqqoslash uchun: kimyosintez jarayonida ba'zi birikmalarning (noorganik) kimyoviy bog'lanish energiyasi boshqalarga - organiklarga aylanadi.
Fotosintezning ikki bosqichi mavjud - yorug'lik va qorong'i. Birinchisi, reaktsiyalar davom etishi uchun zarur bo'lgan yorug'lik nurlanishiga (hn) bog'liq. Qorong'u faza yorug'likdan mustaqil.
O'simliklarda fotosintez xloroplastlarda sodir bo'ladi. Barcha reaksiyalar natijasida birlamchi organik moddalar hosil bo'lib, ulardan keyin uglevodlar, aminokislotalar, yog' kislotalari va boshqalar sintezlanadi.Odatda, fotosintezning umumiy reaksiyasi ga nisbatan yoziladi. glyukoza - fotosintezning eng keng tarqalgan mahsuloti:
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
O 2 molekulasini tashkil etuvchi kislorod atomlari karbonat angidriddan emas, balki suvdan olinadi. Karbonat angidrid uglerod manbai hisoblanadi qaysi biri muhimroq. Bog'lanish tufayli o'simliklar organik moddalarni sintez qilish imkoniyatiga ega.
Yuqorida keltirilgan kimyoviy reaksiya umumlashtirilgan va umumiydir. Bu jarayonning mohiyatidan uzoqdir. Shunday qilib, glyukoza karbonat angidridning oltita alohida molekulasidan hosil bo'lmaydi. CO 2 ning bog'lanishi bir molekulada sodir bo'ladi, u avval mavjud besh uglerodli shakarga yopishadi.
Prokaryotlar fotosintezning o'ziga xos xususiyatlariga ega. Shunday qilib, bakteriyalarda asosiy pigment bakterioxlorofildir va kislorod chiqarilmaydi, chunki vodorod suvdan emas, balki ko'pincha vodorod sulfididan yoki boshqa moddalardan olinadi. Ko‘k-yashil suvo‘tlarda asosiy pigment xlorofill bo‘lib, fotosintez jarayonida kislorod ajralib chiqadi.
Fotosintezning yorug'lik bosqichi
Fotosintezning yorug'lik bosqichida nurlanish energiyasi hisobiga ATP va NADP·H 2 sintezlanadi. Bo'lib turadi xloroplastlarning tilakoidlarida, bu erda pigmentlar va fermentlar elektrokimyoviy davrlarning ishlashi uchun murakkab komplekslarni hosil qiladi, ular orqali elektronlar va qisman vodorod protonlari o'tkaziladi.
Elektronlar NADP koenzimida tugaydi, u manfiy zaryadlangan holda protonlarning bir qismini o'ziga tortadi va NADP H 2 ga aylanadi. Shuningdek, tilakoid membrananing bir tomonida protonlar va boshqa tomonida elektronlarning to'planishi elektrokimyoviy gradientni hosil qiladi, uning potentsiali ATP sintetaza fermenti tomonidan ADP va fosfor kislotasidan ATP sintez qilish uchun ishlatiladi.
Fotosintezning asosiy pigmentlari turli xil xlorofilllardir. Ularning molekulalari ma'lum, qisman turli xil yorug'lik spektrlarining nurlanishini ushlaydi. Bunday holda, xlorofill molekulalarining ba'zi elektronlari yuqori energiya darajasiga o'tadi. Bu beqaror holat bo'lib, nazariy jihatdan elektronlar xuddi shu nurlanish orqali tashqaridan olingan energiyani kosmosga berishi va oldingi darajaga qaytishi kerak. Biroq, fotosintetik hujayralarda qo'zg'atilgan elektronlar qabul qiluvchilar tomonidan ushlanadi va ularning energiyasi asta-sekin kamayishi bilan tashuvchilar zanjiri bo'ylab uzatiladi.
Tilakoid membranalarda yorug'lik ta'sirida elektronlar chiqaradigan ikki turdagi fototizimlar mavjud. Fototizimlar asosan xlorofill pigmentlaridan iborat murakkab kompleks boʻlib, reaksiya markazidan elektronlar ajralib chiqadi. Fototizimda quyosh nuri juda ko'p molekulalarni ushlaydi, ammo barcha energiya reaktsiya markazida to'planadi.

Fototizim I elektronlari tashuvchilar zanjiridan o'tib, NADP ni tiklaydi.

II fototizimdan ajralgan elektronlarning energiyasi ATP sinteziga sarflanadi. II fototizimning elektronlari esa I fototizimning elektron teshiklarini to'ldiradi.
Ikkinchi fototizimning teshiklari natijasida hosil bo'lgan elektronlar bilan to'ldiriladi suv fotolizi. Fotoliz yorug'lik ishtirokida ham sodir bo'ladi va H 2 O ning protonlar, elektronlar va kislorodga parchalanishidan iborat. Aynan suvning fotolizi natijasida erkin kislorod hosil bo'ladi. Protonlar elektrokimyoviy gradientni yaratishda va NADPni kamaytirishda ishtirok etadilar. Elektronlarni II fotosistemaning xlorofili qabul qiladi.
Fotosintezning yorug'lik fazasining taxminiy umumiy tenglamasi:
H
2 O + NADP + 2ADP + 2P → ½O 2 + NADP H 2 + 2AT




Adabiyotlar

• 
  Fiziologiya fotosinteza, M., 1982;
  
• 
  Polevoy V. V., Fiziologiya rasteniy, M., 1989;
  
• 
  Umumiy biologiya, T., 2003;
  
• 
  Mavlonov O., Biologiya, T., 2003.
  

.