Comment l'énergie solaire est convertie. Conversion de l'énergie solaire et des organismes qui l'utilisent. Que se passe-t-il pendant la phase lumineuse de la photosynthèse ?

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Beaucoup d’entre nous ont rencontré les cellules solaires d’une manière ou d’une autre. Quelqu'un a utilisé ou utilise des panneaux solaires pour produire de l'électricité à des fins domestiques, quelqu'un utilise un petit panneau solaire pour charger son gadget préféré sur le terrain, et quelqu'un a certainement vu une petite cellule solaire sur un microcalculateur. Certains ont même eu la chance de nous rendre visite.

Mais avez-vous déjà réfléchi à la manière dont se déroule le processus de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique ? Quel phénomène physique est à l’origine du fonctionnement de toutes ces cellules solaires ? Passons à la physique et comprenons le processus de génération en détail.

Dès le début, il est évident que la source d'énergie ici est la lumière du soleil ou, en termes scientifiques, qu'elle est obtenue grâce aux photons du rayonnement solaire. Ces photons peuvent être représentés comme un flux de particules élémentaires venant continuellement du Soleil, chacune ayant de l'énergie, et donc l'ensemble du flux lumineux transporte une sorte d'énergie.

De chaque mètre carré de la surface du Soleil, 63 MW d'énergie sont émis en continu sous forme de rayonnement ! L'intensité maximale de ce rayonnement se situe dans la gamme du spectre visible - .

Ainsi, les scientifiques ont déterminé que la densité énergétique du flux de lumière solaire à une distance du Soleil à la Terre de 149 600 000 kilomètres, après avoir traversé l'atmosphère et atteint la surface de notre planète, est en moyenne d'environ 900 W par mètre carré.

Ici, vous pouvez accepter cette énergie et essayer d'en obtenir de l'électricité, c'est-à-dire convertir l'énergie du flux lumineux du Soleil en énergie de particules chargées en mouvement, en d'autres termes, en.

Pour convertir la lumière en électricité, nous avons besoin convertisseur photoélectrique. De tels convertisseurs sont très courants, ils sont disponibles à la vente gratuite, ce sont ce qu'on appelle des cellules solaires - des convertisseurs photoélectriques sous forme de plaquettes découpées dans du silicium.

Les meilleurs sont monocristallins, ils ont une efficacité d'environ 18 %, c'est-à-dire que si le flux de photons du soleil a une densité énergétique de 900 W/m², alors vous pouvez compter sur 160 W d'électricité par mètre carré de une batterie assemblée à partir de telles cellules.

Un phénomène appelé « effet photo » est ici à l’œuvre. Effet photoélectrique ou effet photoélectrique- c'est le phénomène d'émission d'électrons par une substance (phénomène d'éjection d'électrons des atomes d'une substance) sous l'influence de la lumière ou de tout autre rayonnement électromagnétique.

En 1900, Max Planck, le père de la physique quantique, proposait que la lumière soit émise et absorbée en portions individuelles ou quanta, que plus tard, notamment en 1926, le chimiste Gilbert Lewis appela « photons ».

Chaque photon a une énergie qui peut être déterminée par la formule E = hv - constante de Planck multipliée par la fréquence du rayonnement.

Conformément à l’idée de Max Planck, le phénomène découvert en 1887 par Hertz, puis étudié en profondeur de 1888 à 1890 par Stoletov, devient explicable. Alexander Stoletov a étudié expérimentalement l'effet photoélectrique et a établi trois lois de l'effet photoélectrique (lois de Stoletov) :

Avec une composition spectrale constante du rayonnement électromagnétique incident sur la photocathode, le photocourant de saturation est proportionnel à l'énergie d'éclairement de la cathode (en d'autres termes : le nombre de photoélectrons arrachés de la cathode en 1 s est directement proportionnel à l'intensité du rayonnement) .

La vitesse initiale maximale des photoélectrons ne dépend pas de l'intensité de la lumière incidente, mais est déterminée uniquement par sa fréquence.

Pour chaque substance, il existe une limite rouge de l'effet photoélectrique, c'est-à-dire une fréquence minimale de lumière (dépendant de la nature chimique de la substance et de l'état de la surface), en dessous de laquelle l'effet photoélectrique est impossible.

Plus tard, en 1905, Einstein clarifie la théorie de l’effet photoélectrique. Il montrera comment la théorie quantique de la lumière et la loi de conservation et de transformation de l'énergie expliquent parfaitement ce qui se passe et ce qui est observé. Einstein a écrit l'équation de l'effet photoélectrique, pour laquelle il a reçu le prix Nobel en 1921 :

La fonction de travail A est ici le travail minimum qu'un électron doit effectuer pour quitter un atome d'une substance. Le deuxième terme est l’énergie cinétique de l’électron après sa sortie.

C'est-à-dire qu'un photon est absorbé par un électron d'un atome, grâce à quoi l'énergie cinétique de l'électron dans l'atome augmente de la quantité d'énergie du photon absorbé.

Une partie de cette énergie est dépensée pour que l’électron quitte l’atome, l’électron quitte l’atome et peut se déplacer librement. Et les électrons se déplaçant dans une direction ne sont rien de plus qu’un courant électrique ou un photocourant. En conséquence, nous pouvons parler de l'apparition de champs électromagnétiques dans une substance en raison de l'effet photoélectrique.

C'est, La batterie solaire fonctionne grâce à l'effet photoélectrique qui y opère. Mais où vont les électrons « assommés » dans un convertisseur photovoltaïque ? Un convertisseur photoélectrique ou une cellule solaire ou une cellule photoélectrique est donc un effet photoélectrique qui se produit d'une manière inhabituelle, c'est un photoeffet interne et il porte même un nom spécial de « photoeffet de valve ».

Sous l'influence de la lumière du soleil, un effet photoélectrique se produit dans la jonction p-n d'un semi-conducteur et une force électromotrice apparaît, mais les électrons ne quittent pas la photocellule, tout se passe dans la couche de blocage, lorsque les électrons quittent une partie du corps pour se déplacer vers une autre partie. de celui-ci.

Le silicium présent dans la croûte terrestre représente 30 % de sa masse, c'est pourquoi il est utilisé partout. La particularité des semi-conducteurs en général est qu'ils ne sont ni conducteurs ni diélectriques ; leur conductivité dépend de la concentration en impuretés, de la température et de l'exposition aux rayonnements.

La bande interdite dans un semi-conducteur est de plusieurs électrons-volts, et c'est précisément la différence d'énergie entre le niveau supérieur de la bande de valence des atomes, d'où s'échappent les électrons, et le niveau inférieur de la bande de conduction. Dans le silicium, la bande interdite a une largeur de 1,12 eV, soit juste ce qui est nécessaire pour absorber le rayonnement solaire.

Donc, jonction p-n. Les couches de silicium dopées dans une cellule photoélectrique forment une jonction p-n. Ici, une barrière énergétique est créée pour les électrons ; ils quittent la bande de valence et se déplacent uniquement dans une direction ; les trous se déplacent dans la direction opposée. C’est ainsi que le courant est généré dans la cellule solaire, c’est-à-dire que l’électricité est générée à partir de la lumière du soleil.

Une jonction Pn exposée aux photons ne permet pas aux porteurs de charge – électrons et trous – de se déplacer autrement que dans une direction ; ils se séparent et se retrouvent sur les côtés opposés de la barrière. Et étant connecté au circuit de charge via les électrodes supérieure et inférieure, le convertisseur photoélectrique, lorsqu'il est exposé à la lumière du soleil, se créera dans le circuit externe.

C’est un fait bien connu que le Soleil est un corps céleste (étoile) et que l’énergie solaire est essentiellement le résultat de son activité vitale. Les processus qui s'y déroulent libèrent une énorme quantité d'énergie, la projetant à une vitesse incroyable vers notre planète. Exploiter l’énergie solaire Cela arrive aux gens à la fois consciemment et inconsciemment. Baignant sous les rayons du Soleil, nous ne pensons pas au fait que l'énergie de cette étoile déclenche un certain nombre de processus importants dans notre corps (par exemple, la vitamine D est produite dans notre peau) ; grâce à lui, la photosynthèse se produit dans les plantes ; Le cycle de l’eau dans la nature est aussi « son œuvre ». Nous le prenons pour acquis. Mais ce n’est là qu’une partie du rôle de l’énergie solaire dans nos vies.

Utilisation pratique de l'énergie solaire

Le plus simple et le plus familier à tous types d'utilisations de l'énergie solaire- son utilisation dans les calculateurs modernes (sur des panneaux solaires très compacts) et pour les besoins domestiques (fruits secs, chauffer l'eau dans le réservoir d'une douche extérieure à la campagne). Le mouvement de l'air chauffé par la chaleur du soleil assure le fonctionnement du système de ventilation et des cheminées. Les rayons du soleil sont utilisés comme évaporateur pour dessaler l'eau de mer. Le soleil est l'une des principales sources d'énergie pour le fonctionnement à long terme des satellites, ainsi que des appareils utilisés pour étudier l'espace. Les voitures alimentées à l’énergie électrique sont de plus en plus introduites dans nos vies.

Réception et conversion de l'énergie solaire

L'énergie solaire frappe notre planète sous la forme de trois types d'ondes de rayonnement : ultraviolette, lumineuse et infrarouge.

Utilisation de l'énergie solaire principalement destiné à produire de la chaleur ou de l’électricité. Ce sont les ondes infrarouges qui tombent sur une surface spéciale développée par des scientifiques qui se transforment en ce dont nous avons besoin.

Ainsi, pour extraire la chaleur, on utilise un collecteur qui absorbe les ondes infrarouges, un dispositif de stockage qui l'accumule et un échangeur de chaleur dans lequel se produit le chauffage.

Lors de la production d'énergie électrique, des photocellules spéciales sont utilisées. Ils absorbent les rayons lumineux et les installations correspondantes convertissent ces rayons en électricité.

Façons d'utiliser l'énergie solaire peut être divisé en fonction du type de centrale électrique pour son traitement. Il y en a six au total.

Trois premiers: tour (conception en forme de tour noire avec de l'eau à l'intérieur et des miroirs autour), parabolique (ressemble à des antennes paraboliques avec des miroirs à l'intérieur), en forme de parabole (ressemble à un arbre en métal avec des feuilles faites de miroirs). Ils peuvent être combinés, car ils ont le même principe de fonctionnement : ils captent une certaine quantité de lumière, la dirigent vers un réservoir de liquide, qui s'échauffe et libère de la vapeur, qui à son tour sert à produire de l'électricité.

Quatrième- équipement avec photocellules. Le type le plus connu, puisque ses dimensions peuvent varier en fonction des besoins. Les petits panneaux solaires sont utilisés pour les besoins des ménages privés, les plus grands pour les besoins industriels. Le principe de fonctionnement est de produire de l'électricité à partir des rayons du soleil absorbés par une photocellule grâce à la différence de potentiel à l'intérieur de celle-ci.

Cinquième- vide. Structurellement, il s'agit d'un terrain couvert d'une verrière ronde, à l'intérieur de laquelle se trouve une tour avec des turbines à la base. Le principe de fonctionnement est de chauffer le sol sous cette toiture et de créer un courant d'air dû à la différence de température. Les pales de la turbine tournent et produisent de l'énergie.

L'histoire de l'étude de la photosynthèse remonte à août 1771, lorsque le théologien, philosophe et naturaliste amateur anglais Joseph Priestley (1733-1804) découvrit que les plantes peuvent « corriger » les propriétés de l'air qui modifie sa composition à la suite d'une combustion ou d'une combustion. activité animale. Priestley a montré qu'en présence de plantes, l'air « vicié » redevient propice à la combustion et au maintien de la vie des animaux.

Au cours de recherches ultérieures menées par Ingenhaus, Senebier, Saussure, Boussingault et d'autres scientifiques, il a été découvert que les plantes, lorsqu'elles sont éclairées, libèrent de l'oxygène et absorbent le dioxyde de carbone de l'air. Les plantes synthétisent des substances organiques à partir du dioxyde de carbone et de l'eau. Ce processus s'appelait la photosynthèse.

Robert Mayer, qui a découvert la loi de conservation de l'énergie, a suggéré en 1845 que les plantes convertissent l'énergie du soleil en énergie de composés chimiques formés lors de la photosynthèse. Selon lui, « les rayons du soleil qui se propagent dans l’espace sont « captés » et stockés pour une utilisation ultérieure selon les besoins. Par la suite, le scientifique russe K.A. Timiryazev a prouvé de manière convaincante que le rôle le plus important dans l'utilisation de l'énergie solaire par les plantes est joué par les molécules de chlorophylle présentes dans les feuilles vertes.

Les glucides (sucres) formés lors de la photosynthèse sont utilisés comme source d'énergie et comme matériau de construction pour la synthèse de divers composés organiques chez les plantes et les animaux. Chez les plantes supérieures, les processus de photosynthèse se produisent dans les chloroplastes, organites spécialisés de conversion d'énergie de la cellule végétale.

Une représentation schématique d'un chloroplaste est présentée sur la Fig. 1.

Sous la double coque du chloroplaste, constituée de membranes externe et interne, se trouvent des structures membranaires étendues qui forment des vésicules fermées appelées thylakoïdes. Les membranes thylakoïdes sont constituées de deux couches de molécules lipidiques, qui comprennent des complexes protéiques photosynthétiques macromoléculaires. Dans les chloroplastes des plantes supérieures, les thylakoïdes sont regroupés en grana, qui sont des empilements de thylakoïdes en forme de disque aplatis et étroitement pressés les uns contre les autres. Les thylakoïdes intergranulaires qui en dépassent constituent une continuation des thylakoïdes individuels du grana. L'espace entre la membrane chloroplastique et les thylakoïdes s'appelle le stroma. Le stroma contient des molécules chloroplastiques d'ARN, d'ADN, des ribosomes, des grains d'amidon, ainsi que de nombreuses enzymes, dont celles qui assurent l'absorption du CO2 par les plantes.

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Étapes claires et sombres de la photosynthèse

Selon les concepts modernes, la photosynthèse est une série de processus photophysiques et biochimiques à la suite desquels les plantes synthétisent des glucides (sucres) en utilisant l'énergie de la lumière du soleil. Les nombreuses étapes de la photosynthèse sont généralement divisées en deux grands groupes de processus : les phases claires et sombres.

Les étapes lumineuses de la photosynthèse sont généralement appelées un ensemble de processus à la suite desquels, grâce à l'énergie lumineuse, des molécules d'adénosine triphosphate (ATP) sont synthétisées et la formation de nicotinamide adénine dinucléotide phosphate réduit (NADP H), un composé à haute teneur. potentiel de réduction se produit. Les molécules d'ATP agissent comme une source d'énergie universelle dans la cellule. L’énergie des liaisons phosphate macroergiques (c’est-à-dire riches en énergie) de la molécule d’ATP est connue pour être utilisée dans la plupart des processus biochimiques qui consomment de l’énergie.

Les processus lumineux de photosynthèse se produisent dans les thylakoïdes, dont les membranes contiennent les principaux composants de l'appareil photosynthétique des plantes - des complexes pigment-protéine et de transport d'électrons captant la lumière, ainsi que le complexe ATP synthase, qui catalyse la formation d'ATP à partir de l'adénosine. diphosphate (ADP) et phosphate inorganique (P i) (ADP + Ф i → ATP + H 2 O). Ainsi, à la suite des étapes lumineuses de la photosynthèse, l'énergie lumineuse absorbée par les plantes est stockée sous la forme de liaisons chimiques à haute énergie de molécules d'ATP et d'un puissant agent réducteur NADP H, qui sont utilisées pour la synthèse des glucides dans les étapes dites sombres de la photosynthèse.

Les étapes sombres de la photosynthèse sont généralement appelées un ensemble de réactions biochimiques, à la suite desquelles le dioxyde de carbone atmosphérique (CO 2) est absorbé par les plantes et des glucides se forment. Le cycle de transformations biochimiques sombres conduisant à la synthèse de composés organiques à partir du CO 2 et de l'eau est appelé cycle de Calvin-Benson, du nom des auteurs qui ont apporté une contribution décisive à l'étude de ces processus. Contrairement aux complexes de transport d’électrons et d’ATP synthase, situés dans la membrane thylakoïde, les enzymes qui catalysent les réactions « sombres » de la photosynthèse sont dissoutes dans le stroma. Lorsque la membrane chloroplastique est détruite, ces enzymes sont éliminées du stroma, ce qui fait que les chloroplastes perdent la capacité d'absorber le dioxyde de carbone.

À la suite de la transformation d'un certain nombre de composés organiques dans le cycle de Calvin-Benson, une molécule de glycéraldéhyde-3-phosphate est formée à partir de trois molécules de CO 2 et d'eau dans les chloroplastes, ayant la formule chimique CHO – CHOH – CH 2 O-PO 3 2-. Dans ce cas, pour une molécule de CO 2 incluse dans le glycéraldéhyde-3-phosphate, trois molécules d'ATP et deux molécules de NADP H sont consommées.

Pour la synthèse de composés organiques dans le cycle de Calvin – Benson, l'énergie libérée lors de la réaction d'hydrolyse des liaisons phosphate de haute énergie des molécules d'ATP (réaction ATP + H 2 O → ADP + Ph i) et le fort potentiel de réduction du NADP H Les molécules sont utilisées. La partie principale des molécules formées dans le chloroplaste Glycéraldéhyde-3-phosphate pénètre dans le cytosol de la cellule végétale, où il est converti en fructose-6-phosphate et glucose-6-phosphate, qui, lors de transformations ultérieures, forment du sucre le phosphate, précurseur du saccharose. L'amidon est synthétisé à partir des molécules de glycéraldéhyde-3-phosphate restant dans le chloroplaste.

Conversion d'énergie dans les centres de réaction photosynthétiques

Les complexes photosynthétiques de conversion d'énergie constitués de plantes, d'algues et de bactéries photosynthétiques ont été bien étudiés. La composition chimique et la structure spatiale des complexes protéiques transformant l'énergie ont été établies et la séquence des processus de transformation de l'énergie a été clarifiée. Malgré les différences dans la composition et la structure moléculaire de l'appareil photosynthétique, il existe des schémas généraux de processus de conversion d'énergie dans les centres de photoréaction de tous les organismes photosynthétiques. Dans les systèmes photosynthétiques d'origine végétale et bactérienne, l'unité structurelle et fonctionnelle unique de l'appareil photosynthétique est photosystème, qui comprend une antenne de collecte de lumière, un centre de réaction photochimique et des molécules associées - des porteurs d'électrons.

Considérons d'abord les principes généraux de la transformation de l'énergie solaire, caractéristiques de tous les systèmes photosynthétiques, puis nous nous attarderons plus en détail sur l'exemple du fonctionnement des centres de photoréaction et de la chaîne de transport d'électrons des chloroplastes dans les plantes supérieures.

Antenne de récupération de lumière (absorption de la lumière, migration d'énergie vers le centre de réaction)

Le tout premier acte élémentaire de la photosynthèse est l’absorption de la lumière par des molécules de chlorophylle ou des pigments auxiliaires qui font partie d’un complexe pigment-protéine spécial appelé antenne récoltant la lumière. Une antenne de collecte de lumière est un complexe macromoléculaire conçu pour capturer efficacement la lumière. Dans les chloroplastes, le complexe d'antennes contient un grand nombre (jusqu'à plusieurs centaines) de molécules de chlorophylle et une certaine quantité de pigments auxiliaires (caroténoïdes) étroitement liés aux protéines.

En plein soleil, une molécule de chlorophylle individuelle absorbe relativement rarement des quanta de lumière, en moyenne pas plus de 10 fois par seconde. Cependant, comme il existe un grand nombre de molécules de chlorophylle par centre de photoréaction (200 à 400), même avec une intensité de lumière relativement faible incidente sur la feuille dans des conditions d'ombrage de la plante, le centre de réaction est activé assez fréquemment. L'ensemble des pigments qui absorbent la lumière agit essentiellement comme une antenne qui, en raison de sa taille assez grande, capte efficacement la lumière solaire et dirige son énergie vers le centre de réaction. En règle générale, les plantes qui aiment l’ombre ont une antenne de collecte de lumière plus grande que les plantes poussant dans des conditions de forte luminosité.

Chez les plantes, les principaux pigments captant la lumière sont les molécules de chlorophylle. un et de la chlorophylle b, absorbant la lumière visible avec une longueur d'onde λ ≤ 700–730 nm. Les molécules de chlorophylle isolées n'absorbent la lumière que dans deux bandes relativement étroites du spectre solaire : aux longueurs d'onde de 660 à 680 nm (lumière rouge) et de 430 à 450 nm (lumière bleu-violet), ce qui, bien entendu, limite l'efficacité de l'utilisation du spectre solaire. spectre complet de la lumière solaire incidente sur une feuille verte.

Cependant, la composition spectrale de la lumière absorbée par l’antenne de collecte de lumière est en réalité beaucoup plus large. Cela s’explique par le fait que le spectre d’absorption des formes agrégées de chlorophylle qui font partie de l’antenne captant la lumière se déplace vers des longueurs d’onde plus longues. Outre la chlorophylle, l'antenne captrice de lumière comprend des pigments auxiliaires qui augmentent l'efficacité de son fonctionnement du fait qu'ils absorbent la lumière dans les régions du spectre dans lesquelles les molécules de chlorophylle, le pigment principal de l'antenne captrice de lumière, absorbent éclairent relativement faiblement.

Chez les plantes, les pigments auxiliaires sont des caroténoïdes qui absorbent la lumière dans la région des longueurs d'onde λ ≈ 450–480 nm ; dans les cellules des algues photosynthétiques, ce sont des pigments rouges et bleus : les phycoérythrines des algues rouges (λ ≈ 495–565 nm) et les phycocyanines des algues bleu-vert (λ ≈ 550–615 nm).

L'absorption d'un quantum de lumière par une molécule de chlorophylle (Chl) ou un pigment auxiliaire conduit à son excitation (l'électron se déplace vers un niveau d'énergie plus élevé) :

Chl + hν → Chl*.

L’énergie de la molécule de chlorophylle excitée Chl* est transférée aux molécules des pigments voisins, qui, à leur tour, peuvent la transférer à d’autres molécules de l’antenne récupératrice de lumière :

Chl* + Chl → Chl + Chl*.

L'énergie d'excitation peut ainsi migrer à travers la matrice pigmentaire jusqu'à ce que l'excitation atteigne finalement le centre de photoréaction P (une représentation schématique de ce processus est présentée sur la Fig. 2) :

Chl* + P → Chl + P*.

Notez que la durée d'existence des molécules de chlorophylle et autres pigments dans un état excité est très courte, τ ≈ 10 –10 –10 –9 s. Par conséquent, il existe une certaine probabilité que sur le chemin du centre de réaction P, l'énergie de ces états excités de pigments de courte durée soit inutilement perdue - dissipée en chaleur ou libérée sous la forme d'un quantum de lumière (phénomène de fluorescence). Mais en réalité, l’efficacité de la migration de l’énergie vers le centre de réaction photosynthétique est très élevée. Dans le cas où le centre de réaction est dans un état actif, la probabilité de perte d'énergie ne dépasse généralement pas 10 à 15 %. Cette grande efficacité d’utilisation de l’énergie solaire est due au fait que l’antenne récupérant la lumière est une structure hautement ordonnée qui garantit une très bonne interaction des pigments entre eux. Grâce à cela, un taux élevé de transfert d'énergie d'excitation des molécules qui absorbent la lumière vers le centre de photoréaction est obtenu. Le temps moyen pour un « saut » d'énergie d'excitation d'un pigment à un autre est généralement de τ ≈ 10 –12 –10 –11 s. Le temps total de migration de l'excitation vers le centre de réaction ne dépasse généralement pas 10 –10 –10 –9 s.

Centre de réaction photochimique (transfert d'électrons, stabilisation de charges séparées)

Les idées modernes sur la structure du centre de réaction et les mécanismes des étapes primaires de la photosynthèse ont été précédées par les travaux d'A.A. Krasnovsky, qui a découvert qu'en présence de donneurs et d'accepteurs d'électrons, les molécules de chlorophylle excitées par la lumière peuvent être réduites de manière réversible (accepter un électron) et s'oxyder (faire don d'un électron). Par la suite, Cock, Witt et Duyzens découvrirent dans les plantes, les algues et les bactéries photosynthétiques des pigments spéciaux de nature chlorophylle, appelés centres réactionnels, qui s'oxydent sous l'action de la lumière et sont en fait les principaux donneurs d'électrons lors de la photosynthèse.

Le centre de réaction photochimique P est une paire spéciale (dimère) de molécules de chlorophylle qui agissent comme un piège pour l'énergie d'excitation errant à travers la matrice pigmentaire de l'antenne de collecte de lumière (Fig. 2). Tout comme le liquide s'écoule des parois d'un large entonnoir jusqu'à son col étroit, l'énergie lumineuse absorbée par tous les pigments de l'antenne collectrice de lumière est dirigée vers le centre de réaction. L'excitation du centre de réaction initie une chaîne de transformations supplémentaires de l'énergie lumineuse pendant la photosynthèse.

La séquence des processus se produisant après l'excitation du centre de réaction P et le diagramme des changements correspondants dans l'énergie du photosystème sont représentés schématiquement sur la Fig. 3.

Outre le dimère de chlorophylle P, le complexe photosynthétique comprend des molécules des accepteurs d'électrons primaires et secondaires, que nous désignerons classiquement par A et B, ainsi que le donneur d'électrons primaire, la molécule D. Le centre de réaction excité P* a une faible affinité pour les électrons et donc il fait facilement un don à son accepteur d'électrons primaire A proche :

D(P*A)B → D(P + A –)B.

Ainsi, grâce à un transfert d'électrons très rapide (t ≈10–12 s) de P* à A, la deuxième étape fondamentalement importante de la conversion de l'énergie solaire pendant la photosynthèse est réalisée : la séparation des charges dans le centre de réaction. Dans ce cas, un agent réducteur fort A – (donneur d'électrons) et un agent oxydant fort P + (accepteur d'électrons) se forment.

Les molécules P + et A – sont situées asymétriquement dans la membrane : dans les chloroplastes, le centre réactionnel P + est situé plus près de la surface de la membrane tournée vers l'intérieur du thylakoïde, et l'accepteur A – est situé plus près de l'extérieur. Par conséquent, suite à la séparation des charges photoinduites, une différence de potentiel électrique apparaît sur la membrane. La séparation des charges induite par la lumière dans le centre de réaction est similaire à la génération d'une différence de potentiel électrique dans une cellule photoélectrique conventionnelle. Il convient toutefois de souligner que, contrairement à tous les photoconvertisseurs d'énergie connus et largement utilisés en technologie, le rendement de fonctionnement des centres de réaction photosynthétiques est très élevé. L'efficacité de la séparation des charges dans les centres de réaction photosynthétiques actifs dépasse généralement 90 à 95 % (les meilleurs exemples de cellules solaires ont une efficacité ne dépassant pas 30 %).

Quels mécanismes assurent une telle efficacité de conversion d'énergie dans les centres de réaction ? Pourquoi l'électron transféré vers l'accepteur A ne retourne-t-il pas vers le centre oxydé chargé positivement P+ ? La stabilisation des charges séparées est assurée principalement grâce aux processus de transport d'électrons secondaires suite au transfert d'un électron de P* vers A. De l'accepteur primaire restauré A, un électron va très rapidement (en 10-10-10-9 s) vers le accepteur d'électrons secondaire B :

ré(P + UNE –)B → ré(P + UNE)B – .

Dans ce cas, non seulement l'électron s'éloigne du centre de réaction chargé positivement P + , mais l'énergie de l'ensemble du système diminue également sensiblement (Fig. 3). Cela signifie que pour transférer un électron dans la direction opposée (transition B – → A), il devra surmonter une barrière énergétique assez élevée ΔE ≈ 0,3–0,4 eV, où ΔE est la différence de niveaux d'énergie pour les deux états de l'électron. système dans lequel l'électron est respectivement sur le porteur A ou B. Pour cette raison, pour que l'électron revienne, de la molécule réduite B - à la molécule oxydée A, il faudrait beaucoup plus de temps que pour la transition directe A - → B. En d'autres termes, dans le sens direct, l'électron est transféré beaucoup plus rapidement que dans le sens inverse. Par conséquent, une fois l'électron transféré vers l'accepteur secondaire B, la probabilité de son retour et de sa recombinaison avec le « trou » P + chargé positivement diminue considérablement.

Le deuxième facteur contribuant à la stabilisation des charges séparées est la neutralisation rapide du centre de photoréaction oxydé P+ grâce à l'électron fourni à P+ par le donneur d'électrons D :

D(P + A)B – → D + (PA)B – .

Ayant reçu un électron de la molécule donneuse D et revenant à son état réduit d'origine P, le centre de réaction ne sera plus en mesure d'accepter un électron des accepteurs réduits, mais il est maintenant prêt à se déclencher à nouveau - pour donner un électron au accepteur primaire oxydé A situé à côté. C'est la séquence d'événements qui se produisent dans les centres de photoréaction de tous les systèmes photosynthétiques.

Chaîne de transport d'électrons chloroplastiques

Dans les chloroplastes des plantes supérieures, il existe deux photosystèmes : le photosystème 1 (PS1) et le photosystème 2 (PS2), qui diffèrent par la composition en protéines, en pigments et en propriétés optiques. L'antenne de collecte de lumière FS1 absorbe la lumière d'une longueur d'onde λ ≤ 700 à 730 nm et FS2 absorbe la lumière d'une longueur d'onde λ ≤ 680 à 700 nm. L'oxydation induite par la lumière des centres réactionnels de PS1 et PS2 s'accompagne de leur blanchiment, caractérisé par des modifications de leurs spectres d'absorption à λ ≈ 700 et 680 nm. Conformément à leurs caractéristiques optiques, les centres réactionnels de PS1 et PS2 ont été nommés P 700 et P 680.

Les deux photosystèmes sont interconnectés via une chaîne de porteurs d'électrons (Fig. 4). PS2 est une source d'électrons pour PS1. La séparation de charges initiée par la lumière dans les centres de photoréaction P 700 et P 680 assure le transfert d'un électron de l'eau décomposée en PS2 vers l'accepteur d'électrons final - la molécule NADP +. La chaîne de transport d'électrons (ETC), reliant les deux photosystèmes, comprend des molécules de plastoquinone, un complexe protéique de transport d'électrons distinct (appelé complexe b/f) et la protéine hydrosoluble plastocyanine (P c) comme porteurs d'électrons. Un diagramme illustrant la disposition relative des complexes de transport d'électrons dans la membrane thylakoïde et le chemin du transfert d'électrons de l'eau vers le NADP + est présenté sur la Fig. 4.

Dans PS2, à partir du centre excité P* 680, un électron est transféré d'abord à la phéophétine accepteur primaire (Phe), puis à la molécule de plastoquinone Q A, étroitement liée à l'une des protéines PS2,

Y(P* 680 Phe)Q A Q B → Y(P + 680 Phe –)Q A Q B →Y(P + 680 Phe)Q A – Q B .

L'électron est ensuite transféré vers une deuxième molécule de plastoquinone QB, et P 680 reçoit un électron du principal donneur d'électrons Y :

Y(P + 680 Phe)Q A – Q B → Y + (P 680 Phe)Q A Q B – .

Molécule de plastoquinone dont la formule chimique et sa localisation dans la membrane bicouche lipidique sont présentées sur la Fig. 5, est capable d’accepter deux électrons. Après que le centre de réaction PS2 se déclenche deux fois, la molécule de plastoquinone Q B recevra deux électrons :

Q B + 2е – → Q B 2– .

La molécule Q B 2– chargée négativement a une grande affinité pour les ions hydrogène, qu'elle capture depuis l'espace stromal. Après protonation de la plastoquinone réduite Q B 2– (Q B 2– + 2H + → QH 2), une forme électriquement neutre de cette molécule QH 2 se forme, appelée plastoquinol (Fig. 5). Le plastoquinol agit comme un porteur mobile de deux électrons et de deux protons : après avoir quitté PS2, la molécule QH 2 peut facilement se déplacer à l'intérieur de la membrane thylakoïde, assurant la connexion de PS2 avec d'autres complexes de transport d'électrons.

Le centre réactionnel oxydé PS2 R 680 possède une affinité électronique exceptionnellement élevée, c'est-à-dire est un agent oxydant très puissant. De ce fait, le PS2 décompose l’eau, un composé chimiquement stable. Le complexe de séparation de l'eau (WSC), qui fait partie du PS2, contient dans son centre actif un groupe d'ions manganèse (Mn 2+), qui servent de donneurs d'électrons pour le P680. En donnant des électrons au centre réactionnel oxydé, les ions manganèse deviennent des « accumulateurs » de charges positives, directement impliquées dans la réaction d'oxydation de l'eau. À la suite de la quadruple activation séquentielle du centre réactionnel P 680, quatre équivalents oxydants forts (ou quatre « trous ») s'accumulent dans le centre actif contenant du Mn du VRC sous forme d'ions manganèse oxydés (Mn 4+), qui , en interaction avec deux molécules d'eau, catalyse la réaction de décomposition de l'eau :

2Mn 4+ + 2H 2 O → 2Mn 2+ + 4H + + O 2.

Ainsi, après le transfert séquentiel de quatre électrons du VRC au P 680, la décomposition synchrone de deux molécules d'eau se produit à la fois, accompagnée de la libération d'une molécule d'oxygène et de quatre ions hydrogène, qui pénètrent dans l'espace intrathylakoïde du chloroplaste.

La molécule de plastoquinol QH 2 formée lors du fonctionnement de PS2 diffuse dans la bicouche lipidique de la membrane thylakoïde jusqu'au complexe b/f (Fig. 4 et 5). Lorsqu'elle rencontre un complexe b/f, la molécule QH 2 s'y lie puis lui transfère deux électrons. Dans ce cas, pour chaque molécule de plastoquinol oxydée par le complexe b/f, deux ions hydrogène sont libérés à l'intérieur du thylakoïde. À son tour, le complexe b/f sert de donneur d'électrons pour la plastocyanine (P c), une protéine hydrosoluble relativement petite dont le centre actif comprend un ion cuivre (les réactions de réduction et d'oxydation de la plastocyanine s'accompagnent de changements dans la valence de la plastocyanine). ion cuivre Cu 2+ + e – ↔ Cu+). La plastocyanine agit comme un lien entre le complexe b/f et PS1. La molécule de plastocyanine se déplace rapidement à l’intérieur du thylakoïde, assurant le transfert d’électrons du complexe b/f vers PS1. De la plastocyanine réduite, l'électron va directement aux centres de réaction oxydés de PS1 – P 700 + (voir Fig. 4). Ainsi, grâce à l'action combinée de PS1 et PS2, deux électrons de la molécule d'eau décomposée en PS2 sont finalement transférés à travers la chaîne de transport d'électrons vers la molécule NADP +, assurant la formation de l'agent réducteur puissant NADP H.

Pourquoi les chloroplastes ont-ils besoin de deux photosystèmes ? On sait que les bactéries photosynthétiques, qui utilisent divers composés organiques et inorganiques (par exemple H 2 S) comme donneur d'électrons pour restaurer les centres de réaction oxydés, fonctionnent avec succès avec un seul photosystème. L'apparition de deux photosystèmes est très probablement due au fait que l'énergie d'un quantum de lumière visible n'est pas suffisante pour assurer la décomposition de l'eau et le passage efficace d'un électron le long de la chaîne de molécules porteuses de l'eau au NADP +. Il y a environ 3 milliards d'années, des algues bleu-vert ou cyanobactéries sont apparues sur Terre, qui ont acquis la capacité d'utiliser l'eau comme source d'électrons pour réduire le dioxyde de carbone. Actuellement, on pense que PS1 provient de bactéries vertes et PS2 de bactéries violettes. Après que, au cours du processus évolutif, PS2 ait été « inclus » dans une seule chaîne de transfert d'électrons avec PS1, il est devenu possible de résoudre le problème énergétique - de surmonter la différence assez grande entre les potentiels redox des paires oxygène/eau et NADP + / NADP H. L'émergence d'organismes photosynthétiques capables d'oxyder l'eau est devenue l'une des étapes les plus importantes du développement de la nature vivante sur Terre. Premièrement, les algues et les plantes vertes, ayant « appris » à oxyder l'eau, ont maîtrisé une source inépuisable d'électrons pour la réduction du NADP+. Deuxièmement, en décomposant l'eau, ils ont rempli l'atmosphère terrestre d'oxygène moléculaire, créant ainsi les conditions d'un développement évolutif rapide d'organismes dont l'énergie est associée à la respiration aérobie.

Couplage des processus de transport d'électrons avec le transfert de protons et la synthèse d'ATP dans les chloroplastes

Le transfert d'électrons à travers l'ETC s'accompagne généralement d'une diminution d'énergie. Ce processus peut être assimilé au mouvement spontané d’un corps le long d’un plan incliné. Une diminution du niveau d'énergie d'un électron lors de son mouvement le long de l'ETC ne signifie pas du tout que le transfert d'électrons est toujours un processus énergétiquement inutile. Dans des conditions normales de fonctionnement des chloroplastes, la majeure partie de l'énergie libérée lors du transport des électrons n'est pas gaspillée inutilement, mais est utilisée pour le fonctionnement d'un complexe spécial de conversion d'énergie appelé ATP synthase. Ce complexe catalyse le processus énergétiquement défavorable de formation d'ATP à partir d'ADP et de phosphate inorganique P i (réaction ADP + P i → ATP + H 2 O). À cet égard, il est d'usage de dire que les processus de transport d'électrons donneurs d'énergie sont associés aux processus accepteurs d'énergie de la synthèse de l'ATP.

Le rôle le plus important pour assurer le couplage énergétique dans les membranes thylakoïdes, comme dans tous les autres organites de conversion d'énergie (mitochondries, chromatophores des bactéries photosynthétiques), est joué par les processus de transport de protons. La synthèse de l'ATP est étroitement liée au transfert de trois protons des thylakoïdes (3H in +) vers le stroma (3H out +) via l'ATP synthase :

ADP + Ф i + 3H en + → ATP + H 2 O + 3H en sortie + .

Ce processus devient possible car, en raison de la disposition asymétrique des porteurs dans la membrane, le fonctionnement de l'ETC des chloroplastes conduit à l'accumulation d'un excès de protons à l'intérieur du thylacoïde : les ions hydrogène sont absorbés de l'extérieur aux étapes du NADP + réduction et formation du plastoquinol et sont libérés à l'intérieur des thylakoïdes aux étapes de décomposition de l'eau et d'oxydation du plastoquinol (Fig. . 4). L'éclairage des chloroplastes entraîne une augmentation significative (100 à 1 000 fois) de la concentration d'ions hydrogène à l'intérieur des thylakoïdes.

Ainsi, nous avons examiné la chaîne d'événements au cours desquels l'énergie de la lumière solaire est stockée sous la forme d'énergie de composés chimiques à haute énergie - ATP et NADP H. Ces produits de l'étape lumineuse de la photosynthèse sont utilisés dans les étapes sombres. pour former des composés organiques (glucides) à partir du dioxyde de carbone et de l’eau. Les principales étapes de conversion d'énergie conduisant à la formation d'ATP et de NADP H comprennent les processus suivants : 1) absorption de l'énergie lumineuse par les pigments de l'antenne captrice de lumière ; 2) transfert d'énergie d'excitation vers le centre de photoréaction ; 3) oxydation du centre de photoréaction et stabilisation des charges séparées ; 4) transfert d'électrons le long de la chaîne de transport d'électrons, formation de NADP H ; 5) transfert transmembranaire d'ions hydrogène ; 6) Synthèse d'ATP.

1. Alberts B., Bray D., Lewis J., Roberts K., Watson J. Biologie moléculaire des cellules. T. 1. – M. : Mir, 1994. 2e éd.
2. Kukushkin A.K., Tikhonov A.N. Cours sur la biophysique de la photosynthèse végétale. – M. : Maison d'édition de l'Université d'État de Moscou, 1988.
3. Nichols D.D. Bioénergie. Introduction à la théorie chimiosmotique. – M. : Mir, 1985.
4. Skulachev V.P.Énergie des membranes biologiques. – M. : Nauka, 1989.

Aujourd'hui, nous allons parler des organismes qui utilisent l'énergie solaire dans leur vie. Pour ce faire, nous devons aborder une science telle que la bioénergie. Elle étudie les moyens de convertir l'énergie par les organismes vivants et de l'utiliser dans le processus de la vie. La bioénergie est basée sur la thermodynamique. Cette science décrit les mécanismes de conversion de différents types d'énergie les uns dans les autres. Y compris l'utilisation et la transformation de l'énergie solaire par divers organismes. Avec l'aide de la thermodynamique, il est possible de décrire pleinement le mécanisme énergétique des processus qui se produisent autour de nous. Mais avec l’aide de la thermodynamique, il est impossible de comprendre la nature d’un processus particulier. Dans cet article, nous tenterons d'expliquer le mécanisme d'utilisation de l'énergie solaire par les organismes vivants.

Pour décrire la transformation de l'énergie dans les organismes vivants ou dans d'autres objets de notre planète, il faut les considérer du point de vue de la thermodynamique. C'est-à-dire un système qui échange de l'énergie avec l'environnement et les objets. Ils peuvent être divisés dans les systèmes suivants :

• Fermé;
• Isolé;
• Ouvrir.

Les organismes vivants abordés dans cet article sont des systèmes ouverts. Ils effectuent un échange continu d'énergie avec le système d'exploitation et les objets environnants. Avec l'eau, l'air et la nourriture, toutes sortes de substances chimiques pénètrent dans le corps, qui en diffèrent par leur composition chimique. Une fois dans le corps, ils subissent un traitement en profondeur. Ils subissent une série de changements et deviennent similaires à la composition chimique du corps. Après cela, ils font temporairement partie du corps.

Après un certain temps, ces substances sont détruites et fournissent de l'énergie au corps. Leurs produits de dégradation sont éliminés du corps. Leur place dans le corps est occupée par d’autres molécules. Dans ce cas, l’intégrité de la structure du corps n’est pas violée. Une telle assimilation et traitement de l'énergie dans le corps assure le renouvellement du corps. Le métabolisme énergétique est nécessaire à l’existence de tous les organismes vivants. Lorsque les processus de conversion d’énergie dans le corps s’arrêtent, celui-ci meurt.

La lumière du soleil est la source d'énergie biologique sur Terre. L'énergie nucléaire du Soleil produit de l'énergie rayonnante. Les atomes d’hydrogène de notre étoile sont convertis en atomes d’hé à la suite de la réaction. L'énergie libérée lors de la réaction est libérée sous forme de rayonnement gamma. La réaction elle-même ressemble à ceci :

4H ? He4 + 2e + hv, où

v est la longueur d'onde des rayons gamma ;

h est la constante de Planck.

Par la suite, après l’interaction du rayonnement gamma et des électrons, de l’énergie est libérée sous forme de photons. Cette énergie lumineuse est émise par le corps céleste.

Lorsque l’énergie solaire atteint la surface de notre planète, elle est captée et transformée par les plantes. En eux, l'énergie solaire est convertie en énergie chimique, qui est stockée sous forme de liaisons chimiques. Ce sont les liaisons qui relient les atomes dans les molécules. Un exemple est la synthèse du glucose dans les plantes. La première étape de cette conversion d'énergie est la photosynthèse. Les plantes lui fournissent de la chlorophylle. Ce pigment assure la conversion de l'énergie rayonnante en énergie chimique. Les glucides sont synthétisés à partir de H 2 O et CO 2. Cela garantit la croissance des plantes et le transfert d’énergie vers l’étape suivante.

L'étape suivante du transfert d'énergie se produit des plantes vers les animaux ou les bactéries. A ce stade, l’énergie des glucides des plantes est convertie en énergie biologique. Cela se produit lors de l’oxydation des molécules végétales. La quantité d'énergie reçue correspond à la quantité dépensée en synthèse. Une partie de cette énergie est transformée en chaleur. En conséquence, l’énergie est stockée dans des liaisons à haute énergie de l’adénosine triphosphate. Ainsi, l’énergie solaire, subissant une série de transformations, apparaît dans les organismes vivants sous une forme différente.

Il convient ici de répondre à la question fréquemment posée : « Quel organite utilise l'énergie de la lumière solaire ? Ce sont des chloroplastes impliqués dans le processus de photosynthèse. Ils l'utilisent pour synthétiser des substances organiques à partir de substances inorganiques.

Le flux continu d’énergie est l’essence de tous les êtres vivants. Il se déplace constamment entre les cellules et les organismes. Au niveau cellulaire, il existe des mécanismes efficaces de conversion d’énergie. Il existe 2 structures principales où la conversion d'énergie s'effectue :

• Chloroplastes ;
• Mitochondries.

Les humains, comme les autres organismes vivants de la planète, reconstituent leurs réserves énergétiques grâce à l’alimentation. De plus, une partie des produits consommés est d'origine végétale (pommes, pommes de terre, concombres, tomates), et une partie d'origine animale (viande, poisson et autres fruits de mer). Les animaux que nous mangeons tirent également leur énergie des plantes. Par conséquent, toute l’énergie que notre corps reçoit est convertie à partir des plantes. Et pour eux, cela apparaît comme le résultat de la conversion de l’énergie solaire.

Selon le type de production d'énergie, tous les organismes peuvent être divisés en deux groupes :

• Phototrophes. Tirer l'énergie de la lumière du soleil ;
• Chimiotrophes. Ils obtiennent de l'énergie lors d'une réaction redox.

Autrement dit, l’énergie solaire est utilisée par les plantes et les animaux reçoivent de l’énergie contenue dans les molécules organiques lorsqu’ils mangent des plantes.

Comment l’énergie est-elle convertie dans les organismes vivants ?

Il existe 3 principaux types d’énergie convertie par les organismes :

• Conversion de l'énergie rayonnante. Ce type d'énergie transporte la lumière du soleil. Chez les plantes, l’énergie radiante est captée par le pigment chlorophylle. Grâce à la photosynthèse, elle est convertie en énergie chimique. Celui-ci est à son tour utilisé dans le processus de synthèse de l’oxygène et d’autres réactions. La lumière du soleil transporte de l’énergie cinétique et, chez les plantes, elle se transforme en énergie potentielle. La réserve d'énergie qui en résulte est stockée dans les nutriments. Par exemple, dans les glucides ;
• Conversion de l'énergie chimique. À partir des glucides et d'autres molécules, il est converti en énergie de liaisons phosphate à haute énergie. Ces transformations ont lieu dans les mitochondries.
• Conversion de l'énergie des liaisons phosphates de haute énergie. Il est consommé par les cellules d'un organisme vivant pour effectuer divers types de travaux (mécaniques, électriques, osmotiques, etc.).

Lors de ces transformations, une partie de la réserve d’énergie est perdue et dissipée sous forme de chaleur.

Utilisation par les organismes de l'énergie stockée

Au cours du métabolisme, le corps reçoit une réserve d'énergie qui est dépensée pour effectuer un travail biologique. Il peut s'agir de travaux légers, mécaniques, électriques ou chimiques. Et le corps dépense une très grande partie de son énergie sous forme de chaleur.

Les principaux types d’énergie du corps sont brièvement décrits ci-dessous :

• Mécanique. Caractérise le mouvement des macrocorps, ainsi que le travail mécanique de leur mouvement. Il peut être divisé en cinétique et potentiel. Le premier est déterminé par la vitesse de déplacement des macrocorps, et le second par leur localisation les uns par rapport aux autres ;
• Chimique. Déterminé par l'interaction des atomes dans une molécule. C'est l'énergie des électrons qui se déplacent sur les orbites des molécules et des atomes ;
• Électrique. C'est l'interaction des particules chargées qui les fait se déplacer dans un champ électrique ;
• Osmotique. Consommé lors du déplacement à contre-courant du gradient de concentration des molécules de substance ;
• Énergie réglementaire.
• Thermique. Déterminé par le mouvement chaotique des atomes et des molécules. La principale caractéristique de ce mouvement est la température. Ce type d’énergie est le plus dévalorisé de tous ceux répertoriés ci-dessus.

La relation entre la température et l’énergie cinétique d’un atome peut être décrite par la formule suivante :

E h = 3/2rT, où

r est la constante de Boltzmann (1,380*10 -16 erg/deg).

Comment l’énergie est-elle libérée à partir des nutriments ?

Il existe 3 étapes conventionnelles dans le processus d’extraction de l’énergie des nutriments :

• Préparatoire. Cette étape est nécessaire pour convertir les biopolymères des cellules alimentaires en monomères. Cette forme est la meilleure pour extraire de l’énergie. Ce processus (hydrolyse) se produit dans les intestins ou en interne. L'hydrolyse se produit avec la participation de lysosomes et d'enzymes cytoplasmiques. La valeur énergétique de cette étape est nulle. À ce stade, 1 % de la valeur énergétique des substrats est libérée et la totalité est perdue sous forme de chaleur ;
• Lors de la deuxième étape, les monomères se décomposent partiellement pour former des produits intermédiaires. Des acides du cycle de Krebs et de l'acétyl-CoA se forment. Le nombre de substrats initiaux à ce stade est réduit à trois et jusqu'à 20 pour cent de la réserve d'énergie des substrats est libérée. Le processus se déroule de manière anaérobie, c'est-à-dire sans accès à l'oxygène. L'énergie est partiellement stockée dans les liaisons phosphate de l'ATP et le reste est consommé sous forme de chaleur. La dégradation des monomères se produit dans le hyaloplasme et les processus restants se produisent dans les mitochondries ;
• Au stade final, les monomères se décomposent en H 2 O et CO 2 dans une réaction impliquant l'oxygène. L'oxydation biologique se produit avec libération complète des réserves d'énergie. Des 3 trois métabolites présents à l'étape précédente, il ne reste que H 2. C'est un carburant universel dans la chaîne respiratoire. A ce stade, les 80 pour cent restants de la réserve d’énergie sont libérés. Une partie de l’énergie est libérée sous forme de chaleur et le reste est stocké dans des liaisons phosphate. Toutes les réactions à ce stade ont lieu dans les mitochondries.

La libération d'énergie dans les cellules vivantes se fait progressivement.À toutes les étapes de l'excrétion, la substance peut s'accumuler sous une forme chimique adaptée aux cellules. La structure énergétique d'une cellule comprend 3 blocs fonctionnels différents dans lesquels se déroulent divers processus :

• Processus I (formation de substrats d'oxydation, qui correspondent à l'enzyme oxydative dans les cellules) ;
• Bloc S-H 2 (substrat d'oxydation) ;
• Processus de génération d’hydrogène. Le résultat est KH 2 (hydrogène avec coenzyme).

Ces processus complexes en plusieurs étapes se produisent lors de la transformation de l’énergie solaire dans les plantes et les organismes vivants.
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