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[27].
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.
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.
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:
Фигаро здесь, Фигаро там
Глюкоза служит основным источником энергии для растений. В процессе клеточного дыхания она окисляется с выделением энергии, которая запасается в виде АТФ и используется для поддержания жизненных процессов, таких как рост, размножение и ответ на стресс. Также в процессе клеточного дыхания выделяется углекислый газ и вода. Получается процесс, происходящий в митохондрии, он противоположен фотосинтезу. Митохондрию таким образом можно назвать «крошечной энергетической станцией клетки».
27
НАДФН – Никотинамид аденин динуклеотид фосфат, кофермент, участвующий в окислительно-восстановительные реакциях живых клеток. АТФ – Аденозинтрифосфат. Универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых организмах.