Фотосинтез - фотоліз води
Завдяки енергії сонячного світла у рослинній клітці відбувається синтез АТФ та молекул деяких інших речовин, наприклад, вуглеводів, що відіграють роль своєрідних акумуляторів енергії.
Енергія, запасена у цих речовинах, використовується синтезу нуклеїнових кислот, білків, вуглеводів, жирів.Процес синтезу органічних речовин за рахунок енергії світла називаютьфотосинтезом.
Організми, які здатні із неорганічних сполук синтезувати органічні речовини, називають автотрофниші. Фотосинтез властивий лише клітинам автотрофних організмів. Рослини є фотосинтезуючими автотрофами. Гетеротрофні організми не здатні синтезувати органічні речовини із неорганічних сполук. Вони мають отримувати їх готовими з їжею. Тварини – гетеротрофні організми.
Клітини зелених рослин та деяких бактерій мають спеціальні структури та комплекси хімічних речовин, які дозволяють їм уловлювати енергію сонячного світла.
Роль хлоропластів у фотосинтезі. У клітинах рослин, як відомо, є мікроскопічні освіти — хлоропласти . Це органоїди, у яких відбувається поглинання енергії світла і перетворення їх у енергію АТФ та інших молекул — носіїв енергії. У гранах хлоропластів міститься хлорофіл - складна органічна речовина.Хлорофілвловлює енергію світла для використання її в процесах біосинтезу глюкози та інших органічних речовин. Ферменти, необхідні синтезу глюкози, розташовані також у хлоропластах.
Світлова фазафотосинтезу. Квант червоного світла, поглинений хлорофілом, переводить електрон у збуджений стан. Збуджений світлом електрон набуває великого запасу енергії, внаслідок чогопереміщається більш високий енергетичний рівень. (Здатність хлорофілу поглинати червоне світло була вперше встановлена відомим українським ученим К.О. Тиміразєвим, який багато зробив для розуміння процесів фотосинтезу.) Збуджений світлом електрон можна порівняти з каменем, піднятим на висоту, який також набуває потенційної енергії. Він втрачає її, падаючи з висоти. Збуджений електрон, як по сходах, переміщається ланцюгом складних органічних сполук, вбудованих в хлоропласт. Переміщаючись з одного ступеня в інший, електрон втрачає енергію, яка використовується для синтезу АТФ. Електрон, що розтратив енергію, повертається до хлорофілу. Нова порція світлової енергії знову збуджує електрон хлорофілу. Він знову проходить тим же шляхом, витрачаючи енергію на утворення молекул АТФ.
Іони водню (Н+) та електрони (е), необхідні відновлення молекул-носіїв енергії, утворюються при розщепленні молекул води. Розщеплення молекул води у хлоропластах здійснюється спеціальним білком під впливом світла. Називається цей процес фотоліз води.
Таким чином, енергія сонячного світла безпосередньо використовується рослинною клітиною для: 1) збудження електронів хлорофілу, енергія яких далі витрачається на утворення АТФ та інших молекул-носіїв енергії; 2) фотолізу вбди, що поставляє іони водню та електрони у світлову фазу фотосинтезу. У цьому виділяється кисень як побічний продукт реакцій фотолізу. Етап, протягом якого за рахунок енергії світла утворюються багаті на енергію сполуки — АТФ і молекули-носії енергії, називають світловою фазою фотосинтезу.
Темнова фаза фотосинтезу. У хлоропластах є п'ятивуглецеві цукри, один з яких рибулозодифосфат, є акцептором вуглекислого газу. Особливий ферментзв'язує п'ятивуглецевий цукор із вуглекислим газом повітря. У цьому утворюються сполуки, які з допомогою енергії АТФ та інших молекул-носіїв енергії відновлюються до шестиуглеродной молекули глюкози. Таким чином, енергія світла, перетворена протягом світлової фази на енергію АТФ та інших молекул-носіїв енергії, використовується для синтезу глюкози. Ці процеси можуть і в темряві.
З рослинних клітин вдалося виділити хлоропласти, які у пробірці під впливом світла здійснювали фотосинтез — утворювали нові молекули глюкози, у своїй поглинали вуглекислий газ. Якщо припиняли висвітлювати хлоропласти, то припинявся синтез глюкози. Однак якщо до хлоропластів додавали АТФ і відновлені молекули-носії енергії, синтез глюкози відновлювався і міг йти в темряві. Це означає, що світло дійсно потрібне лише для синтезу АТФ та зарядки молекул-носіїв енергії. Поглинання вуглекислого газу та утворення глюкози в рослинах називають темновою фазою фотосинтезу, оскільки вона може йти у темряві.