Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Вуглеводи (цукри й крохмаль) — важливі харчові продукти, за рахунок яких організм людини отримує більшу частину потрібної йому енергії (підрозд. 14.8). Енергію для синтезу цукрів, крохмалю та целюлози рослини отримують у вигляді сонячного світла. Цей процес, що називається фотосинтезом, здійснюється за участі зеленої речовини — хлорофілу, що містить атом Магнію. Формула хлорофілу має такий вигляд:
Хлорофіл б має аналогічну структуру, що відрізняється лише тим, що в положенні 3 замість метильної групи в нього міститься група CHO.
Сумарну реакцію фотосинтезу можна записати в такому вигляді:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
Глюкоза
Для цієї реакції збільшення ентальпії становить 2816 кДж на 1 моль глюкози (теплота згоряння глюкози). Головні смуги поглинання хлорофілу лежать в ділянках довжин хвиль 425 і 660 нм, а це відповідає енергії приблизно 280 і 180 кДж на 1 моль фотонів відповідно. Звідси випливає, що для перетворення кожного моля карбон(IV) оксиду на глюкозу необхідно кілька молів фотонів. Фотосинтез — надзвичайно складний процес.
Про важливість фотосинтезу свідчить той факт, що внаслідок нього щороку утворюється близько 1012 кг крохмалю й целюлози і в атмосферу виділяється близько 1,1·1012 кг кисню, який відновлює кисень, що витрачається в процесах дихання та горіння.
Було встановлено, що на першій стадії фотосинтезу відбувається перетворення АДФ (аденозиндифосфату) на АТФ (аденозинтрифосфат)
АДФ + H3PO4 + енергія → АТФ + H2O
Кількість енергії, потрібної для цієї реакції, становить приблизно 30 кДж·моль-1. Молекула АТФ багатша на енергію, ніж молекула АДФ (підрозд. 8.4). Після свого утворення вона може зазнати гідролізу до АДФ і ортофосфатної кислоти за наведеним вище рівнянням, якщо реакція йде справа наліво: енергія, що вивільняється внаслідок такої реакції, забезпечує здійснення низки послідовних ендотермічних реакцій, які зрештою призводять до синтезу глюкози.
АТФ — трифосфат нуклеозиду аденозину, що складається з аденіну та цукру D-рибози (підрозд. 13.6). Аденін становить одну з ланок ДНК (підрозд. 15.6). Формула АТФ
Реакції фотосинтезу можуть відбуватися і в темряві в клітинах зелених рослин за умови, що вони містять як АТФ, так і іншу речовину — НАДФН (відновлений нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат), що має таку будову:
НАДФН — відновник; його можна окиснити до НАДФ+ (нікотинамідаденіндинуклеотид-катіон) зі зміненим кільцем у лівій частині формули (відновлене нікотинамідне кільце)
Очевидно, світло, що поглинається зеленими рослинами, перетворює АДФ на АТФ і НАДФ+ на НАДФН. За участі АТФ як джерела енергії та НАДФН як відновника (джерела атомів Гідрогену) можуть потім відбуватися реакції, які призводять до перетворення води й карбон(IV) оксиду на глюкозу
2НАДФ + OH- + світло → 2НАДФН + O2
2НАДФН + H2O + CO2 → 2НАДФ+OH- + 1/n(CH2O)n
АТФ
У клітинах тіла людини та інших тварин відбувається реакція, обернена до фотосинтезу, — відбувається окиснення глюкози. Енергія, що вивільняється в цій реакції, використовується для перетворення АДФ на АТФ, а, можливо, також сприяє відновленню НАДФ+ до НАДФН. Потім ці багаті на енергію молекули використовуються як своєрідне паливо для здійснення багатьох фізіологічних процесів.