Принципы и особенности фотолиза воды

Что такое фотодиссоциация или фотолиз воды

Он является частью процесса фотосинтеза в растениях и способствует выделению большого количества кислорода в атмосферу.

Фотодиссоциация может протекать и вне видимого света, если фотон обладает достаточной энергией (выше солнечной — ультрафиолетовые лучи, рентгеновские или гамма-лучи).

Фотолиз возникает из-за воздействия светового фотона на воду.

Последовательность фотосинтеза воды

Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой. Фотолиз осуществляется в рамках световой фазы.

Световая фаза фотосинтеза

В листьях растений содержатся хлоропласты, полные особых пигментов:

1. Хлорофилл — значим только для фотосинтеза. Его содержится огромное количество (около 400 молекул).
2. Каротиноиды — поглощают коротковолновой солнечный свет, передают хлорофиллу энергию, защищают его от окисления кислородом, который выделяется при фотосинтезе.

Фотолиз происходит только в 1% молекул хлорофилла. Все другие собирают свет, объединяясь и становясь антенными комплексами. Собирая свет, молекулы хлорофилла приходят в возбуждение. Оно передается в реакционные центры. В центрах есть две фотосистемы. В каждой из них — особые молекулы хлорофилла (в первой P680, а во второй P700). Они принимают световые кванты конкретной длины — 680 и 700 нм. При этом каждая система выделяет один электрон на более высокий уровень.

Первая фотосистема способствует восстановлению количества электронов при посредстве переносчиков из второй системы. А вторая система забирает у воды электрон, тем самым давая начало ее фотолизу (распаду\расщеплению) на ионы водорода и кислород. Кислорода выделяется очень много. Он является побочным продуктом, высвобождается в атмосферу. Водород остается и накапливается в мембране, чтобы продолжить участвовать в дальнейших реакциях уже в темновой фазе.

Основные этапы фотосинтеза воды:

1. На хлорофилл действует фотон света. Хлорофилл начинает выделять электроны. Те из них, которые заряжены отрицательно, собираются на мембране. Электроны в хлорофилле заканчиваются. Световой квант воздействует дальше — на воду, что вызывает собственно фотолиз, то есть распад молекул воды.
2. Протоны водорода (заряжены положительно) тоже скапливаются на мембране. Между ними и отрицательными электронами зажимается тилакоид («мешочек» с мембраной в хлоропласте). Начинается производство кислорода (гидроксильными ионами).
3. Затем специальная группа ферментов аденозинтрисфосфатсинтаза (АТФ-синтаза) доставляет протоны в ткани, где их подхватывает еще одна особая группа, которая специально предназначена для работы в углеводных реакциях — никотинамиддинуклеотидфосфат (НАДФ).

Темновая фаза фотосинтеза

Она проходит после фотолиза и уже без участия света. В этот период восстанавливается глюкоза (благодаря растворенному в воде углекислому газу, НАДФ и АТФ) — цикл Кальвина (процесс открыл ученый по фамилии Кальвин).

Здесь участвует запасенная в предыдущей фазе энергия.

Место проведения реакций темновой фазы — строма хлоропластов. Углерод поступает туда через устьица.

Избыток глюкозы при его возникновении будет отложен в виде крахмала (запасное питательное вещество для всего растения).

Также на этом этапе образуются нуклеотиды, спирты, аминокислоты.

Химические основы фотолиза воды

Хлорофилл своим химическим составом напоминает гемоглобин крови. Это обусловлено наличием порфиринового кольца с магнием в центре.

Фотосинтез с химической точки зрения — это процесс восстановления углерода с помощью энергии солнца. В животных организмах она появляется вследствие метаболизма углеводов (их животные получают с растительной пищей). Углеводы проходят через окисление.

По степени способности к гидролизу углеводы делят на несколько групп:

• моносахариды;
• олигосахариды;
• полисахариды. 

В результате второй фазы фотосинтеза образуется моносахарид — глюкоза и полисахарид — крахмал.

Что участвует в реакции, формула

В реакции участвует вода и электрон.

\(2H_2O=4H+4e_-+O_2\)

Электроны (e) пополняют затраченный при фотосинтезе запас хлорофилла.

Побочным продуктом данной реакции выступает кислород (\(O_2\)).

Что выделяется при фотолизе

Выделяется большое количество свободного кислорода в атмосферу. А также ионы водорода, которые накапливаются в избытке на мембране, создавая световые запасы для темновой фазы фотосинтеза.

Именно благодаря реакции фотолиза воды может образовывать много кислорода, который дает возможность жить всему живому на земле.