Фотохимични процеси в биологични системи. Светлинна фаза на фотосинтезата Фази и процеси на фотосинтезата

2 Слънчевата енергия е основният източник на цялата биологична енергия. Фотосинтезиращите клетки използват енергия слънчева светлиназа образуване на глюкоза и други органични продукти. Тези органични продукти служат като източник на енергия и въглерод за хетеротрофните клетки.

3 основни характеристикифотосинтеза Фотосинтезата е сложна многоетапна система от фотофизични, фотохимични и тъмни биохимични процеси, при които енергията на слънчевата светлина се трансформира от фотосинтезиращи организми (бактерии и растения) във форми на енергия, достъпни за тях: химична (NADPH, ATP) или електрохимична (H) . Използвайки тази енергия, клетката, използвайки фотосинтетичната система, синтезира от прости неорганични вещества въглероден двуокиси вода глюкоза и други сложни органични вещества. Продуктът на тези реакции също е молекулярен кислород, отделен от водните молекули.

4 Фотосинтезата е един от най-важните механизми на живота на Земята, тъй като благодарение на нея се образуват както сложни високо подредени органични вещества, така и кислород, които се консумират от други организми (бактерии, растения и животни) като източници на строителен материал и енергия. Основната обща реакция на фотосинтезата: 6CO 2 + 6H 2 O + hν C 6 H 12 O 6 + 6O kcal / mol

5 Същността на фотосинтезата е да се получат високоенергийни електрони поради енергията на светлинните кванти, погълнати от хлорофила. За да се предотврати връщането на електрона в първоначалното му състояние и загубата на получената енергия за топлинни процеси, възбуденият електрон много бързо се прехвърля по електротранспортната верига до NADP+, който след това се използва в биосинтетични реакции. Първоначалният източник на електрони е водата, която след това се разделя и освобождава кислород. Този кислород, който е страничен продукт на фотосинтезата, се вдишва от всички аеробни организми.

7 1) Комплекси за събиране на светлина CCKI и CCKII, принадлежащи към фотосистеми I и II. Те съдържат пигменти, които абсорбират светлинни кванти с различна дължина на вълната. Погълнатата от тях енергия мигрира от пигмент към пигмент, разсейвайки се леко на всяка стъпка, докато достигне реакционния център с минимално ниво на енергия. Там той предизвиква възбуждане на фотосинтезиращи пигменти - молекули хлорофил P 700 или P 680 в една от двете фотосистеми - съответно PS I или PS II.

8 2) Възбудената молекула на хлорофил P 700, която е част от фотосистема I (PS I), е в състояние да йонизира: P e Електронът, откъснат от него, се прехвърля по електронната транспортна верига към NADP +, като го възстановява: NADP + + e + H + NADPH. NADPH се използва допълнително в цикъла на Калвин за синтезиране на глюкоза. Свободното място, образувано след напускането на електрона, се запълва или от неговия собствен електрон, който се връща по CET в резултат на цикличен трансфер, или от електрон, идващ от PS II.

9 3) Във фотосистема II, поради енергията на възбуждане, един електрон се отделя от молекулата на хлорофил P 680: P e и се прехвърля по веригата за транспортиране на електрони към хлорофил P 700, запълвайки празното място, образувано там.

10 4) Свободно място, образувано върху хлорофила, се запълва с електрон, който се отделя от водна молекула с помощта на така наречената система за разделяне на водата, която е част от фотосистема II. В допълнение към електрона, той отделя протони от водна молекула: 2H 2 O 4 H e + O 2 В същото време водородните йони H +, които участват в създаването на протонен градиент, също се отделят от водата, и също се освобождава молекулярен кислород, който е страничен продукт от този процес.

11 5) Трансферът на електрони по ETC води до едновременното прехвърляне на H + протони през мембраните на тилакоидите на хлоропластите в стромата чрез комплекс от цитохроми b 6 f, подобен на митохондриалния комплекс bc 1. Процесите на протон освобождаването по време на разделянето на водата и пренасянето им през мембраната създават електрохимичен протонен градиент, който служи като източник на енергия за синтеза на АТФ.

14 Хлоропласти Фотосинтезата се осъществява в хлоропласти – органели растителни клетки. Те обикновено имат двойноизпъкнала форма като чинийки, сгънати заедно с диаметър 3-10 микрона и дебелина 1,5-3 микрона. В една растителна клетка има от 1 до 1000 хлоропласта.

15 Напречно сечение на листна клетка от грах (Pisum sativum) е преминала през два хлоропласта. Хлоропластът е отграничен от цитоплазмата с две мембрани - външна и вътрешна. Външната мембрана е гладка, вътрешната образува израстъци - ламели. Тилакоидите са подредени върху ламелите. На снимката ясно се виждат купчини тилакоиди - грана. Молекулите на хлорофила са концентрирани в тилакоидите на грана между слоевете протеини и липиди. Той е в състояние да улавя енергията на слънчевата светлина, с помощта на която се образуват въглехидрати от вода и въглероден диоксид. Натрупванията на въглехидрати се виждат на снимката като тъмни петна. Трансмисионен микроскоп, х

18 Растителните хлоропласти са подобни на митохондриите по това, че те също използват веригата за пренос на електрони и хемиосмотичния принцип за преобразуване на енергия. Те също така имат обвивка с двойна мембрана, включваща силно пропусклива външна мембрана и вътрешна ниско пропусклива мембрана с вградени протеини-носители. Вътрешната област, аналогична на митохондриалната матрица, се нарича строма. Но хлоропластите нямат кристи, а имат специална система от вътрешни мембрани - тилакоиди - които образуват третото вътрешно отделение.

19 Тилакоидите са плоски мембранни торбички с диаметър около 0,5 µm. Опаковани са в стекове - зърна. Вътре в тях е тилакоидното пространство. Отделните грани са свързани помежду си с ламели - по-разширени слоеве. Тилакоидните мембрани съдържат в допълнение към липидите и протеините фоторецептивни пигменти - различни модификации на хлорофила и редица други пигменти, които образуват антена за събиране на светлина. Те съдържат две фотосистеми, PS I и PS II, които извършват фотосинтеза и H-ATP синтетаза (F 0 F 1), която синтезира АТФ, както в митохондриите.

20 Ултраструктура на тилакоидите. А. Тилакоидна грана. Б. Повърхността на тилакоида, разкрита чрез метода на замразяване-ецване. Виждат се области с големи гранули (В), представляващи интратилакоидната повърхност на тилакоидната мембрана, и области с малки гранули (С), представляващи повърхността на тилакоидната мембрана, обърната към стромата. Големите гранули вероятно са компоненти на фотосистема II; природата на малките гранули все още не е установена.

21 Стромата съдържа собствена ДНК от хлоропласти, апарат за синтез на протеини, ензими от цикъла на Калвин и други метаболитни процеси, захари, липиди, органични киселини и други съединения. Точно както в митохондриите, хлоропластната ДНК кодира само част от необходимите протеини, докато други протеини или техните субединици са кодирани в клетъчното ядро. Предполага се, че хлоропластите, подобно на митохондриите, са възникнали в ранните етапи на еволюцията на растенията в резултат на симбиоза на растителни клетки и някои прокариотни клетки.

22 Фотосинтетични пигменти Основният пигмент на фотосинтезата е хлорофил а (Chl a). Състои се от порфиринова глава с размери приблизително 1,5x1,5 nm, която има хидрофилни свойства, и дълга хидрофобна опашка - фитол - с дължина около 2,0 nm. В центъра на порфириновия пръстен на хлорофилите има Mg 2+ йон, свързан чрез координационни връзки с азотни атоми. Други форми на хлорофил - b, c, d, както и бактериохлорофилът - се различават по страничните заместители и разпределението на двойните връзки в порфириновия пръстен.

23

26 Абсорбционните спектри на хлорофилите имат две интензивни ленти: лентата на Соре, характерна за порфирините в синята или близката ултравиолетова част на спектъра и "червената" лента на абсорбция на светлина в nm областта (в бактериохлорофилите тя е изместена към близката инфрачервена nm регион). Абсорбцията на светлината в червената област на спектъра се осигурява от взаимодействието на магнезиевия йон с конюгираната р-електронна система на порфириновия пръстен. (За сравнение, хемът, съдържащ в порфириновия пръстен не Mg 2+, а Fe 2+, абсорбира светлината не в червената, а в зелено-жълтата част на спектъра).

27 В клетката "червените ленти" на абсорбцията на хлорофил се изместват към областта с дълги вълни в сравнение със спектрите, получени в органични разтворители, което показва значителна роля на взаимодействията пигмент-пигмент, пигмент-протеин и пигмент-липид, дължащи се на до плътното опаковане на хлорофилните молекули във фотосинтетичната мембрана.

28 Методи за нискотемпературна и диференциална спектрофотометрия разкриват до 10 модификации на хлорофил а, които се различават по спектрите на абсорбция и флуоресценция (т.е. в подреждането на енергийните нива), в екстрахируемостта от мембраната (т.е. в хидрофилността/хидрофобността), и т.н. Те се наричат ​​"природни форми" на хлорофил а. И така, изолирани са P 670 (поглъщаща светлина nm), P 680, P 700 и др. Основният фактор, който определя свойствата на тези естествени форми, са взаимодействията пигмент-пигмент, т.е. образуването на димери и по-големи агрегати. В пигментните агрегати поради взаимодействието p -електронни системиима "размазване" на електронния облак върху два или повече порфиринови пръстена. Съответно, горното енергийно ниво намалява и способността за абсорбиране на червена светлина с по-голяма дължина на вълната се увеличава.

30 Освен хлорофил фотосинтетичните клетки съдържат и други пигменти: феофитини, каротеноиди, фикоеритрини, фикобилини и др. Всички те съдържат дълги вериги от спрегнати връзки, в които π-електронният облак е „размазан“ по цялата дължина, което също така води до намаляване на възбудените енергийни нива и позволява абсорбцията на видими светлинни кванти. Каротеноидите имат дължина на веригата от приблизително 40 въглеродни атома. Те абсорбират светлина в nm областта и са жълти или оранжеви на цвят. Фикобилините абсорбират светлина в nm областта. Всички те допълват спектъра на поглъщане на хлорофила, абсорбирайки не само червената светлина, но и светлината от други части на спектъра, което позволява на растенията ефективно да улавят слънчевата радиация.

31 Комплекси за събиране на светлина За да се повиши ефективността на използването на светлината, фотоните се улавят не само от хлорофилните молекули в реакционните центрове, но и от спомагателните пигменти, които пренасят енергията на електронното възбуждане към реакционния център. Наистина, напречното сечение на абсорбция на молекула хлорофил е cm 2, следователно, при интензитета на кванта на дневната слънчева светлина / (cm 2 сек), интензивността на абсорбция на кванти от една молекула е не повече от 1-10 кванта в секунда. Но продължителността на цикъла на използване на енергията на фотона от неговото поглъщане до освобождаването на молекула O 2 е около 0,01-0,02 сек. следователно повечетовреме между поглъщането на отделните кванти, хлорофилът трябва да "бездейства". Следователно комбинацията от десетки пигментни молекули, които доставят енергия на един реакционен център, повишава ефективността на фотосинтезата.

33 В допълнение към интервалите от време за запълване, ефективността на събиране на светлина се увеличава чрез „спектрално запълване“, т.е. абсорбция на кванти в синьо-зелено-жълтата област, в която хлорофилите практически не абсорбират светлина. Тази роля играят различни пигменти - хлорофили, каротеноиди, фикоеритрини, фикобилини и др., които имат ивици за поглъщане на светлина в тази спектрална област. Десетки пигментни молекули, събиращи светлина, обграждат фотосистеми I и II. Енергията на погълнатите фотони се преобразува в енергията на електронното възбуждане на пигментните молекули. Тя се прехвърля от молекула на молекула с известно разсейване и след няколко произволни разходки стига до реакционните центрове на фотосистеми I и II - P 680 или P 700, които са "енергийни капани", тъй като процесът на миграция на енергия се прекъсва в тях. Енергията не се пренася допълнително, а се използва за генериране на високоенергийни електрони и самата фотосинтеза.

34 Преди това, когато не беше установена определена пространствена организация на пигментните молекули, се приемаше произволното им разположение във фотосинтетичната мембрана и се използваше доста добрият термин „антена за събиране на светлина“. Но през последните десетилетия, когато стана известно, че пигментните молекули са свързани с протеини, които организират тяхното подреждане, започна да се използва терминът „светлосъбиращи пигмент-протеинови комплекси“ (LSPBC или просто LSC). В международната литература за обозначаването им се използва съкращението LHC (Light Harvesting Complexes).

35 Обикновено SSPBC обграждат функционалното ядро, централният ядрен комплекс, в който са разположени реакционните центрове на PS I или PS II. Тримерите на Lhcb1/Lhcb2 протеини са разположени по периферията на PS I и PS II, докато централната, основна част е заобиколена от мономерни антенни протеини. В PSII това са протеините Lhca1, Lhca2, Lhca3 и Lhca4, а в PS II протеините Lhcb3, Lhcb4, Lhcb5 и Lhcb6 (или CP 25, CP29, CP26 и CP24).

36 Всеки Lhc тримерен мономер във фотосистемата PSII е протеин от три α-спирали с дължина 4,3; 5.1 и 3.2 nm. Тези протеини свързват 7 молекули хлорофил а, 5 молекули хлорофил b и 2 молекули лутеин. Порфириновите пръстени на хлорофилите са подредени в два слоя, перпендикулярни на равнината на тилакоидната мембрана близо до външната и вътрешната равнина.

37 Схема на устройството на ПС I (а) и ПС II (б). (a) показва подреждането на тримерни (Lhcb1/Lhcb2) и мономерни протеинови комплекси за събиране на светлина (Lhca1, Lhca2, Lhca3 и Lhca4). Ядреният комплекс в центъра съдържа приблизително 90 молекули хлорофил а. (b) показва приблизителните позиции на тримерни (Lhcb1/Lhcb2) и мономерни протеинови комплекси за събиране на светлина (Lhcb3, Lhcb4, Lhcb5 и Lhcb6). Центърът показва димер от два основни комплекса, всеки от които се състои от протеини на реакционния център D1/D2 и цитохром b559, заобиколен от антенни протеини CP43 и CP47, съдържащи молекули на хлорофил a (според S. Jansson, 1994).

38 Пространствена структура на един от мономерите в тримерния комплекс Lhc. Неговите три α-спирали съдържат 7 молекули хлорофил a (в центъра, по-светъл), 5 хлорофил b (по периферията, по-тъмен) и 2 лутеин (черен) (според Nelson и Cox, 2005).

40 Механизми за миграция на енергия Най-важният механизъм за миграция на енергията на електронно възбуждане във фотосинтетичната мембрана е индуктивният резонансен механизъм на Förster. Осъществява се с участието на синглетно възбудени нива (S 1), подчинени на задължителни правила: 1) донорът трябва да флуоресцира; 2) акцепторът трябва да има абсорбционна лента, съответстваща на емисионната лента на донора; 3) разстоянието между тях не трябва да надвишава 4-6 nm.

41 Преносът на енергия възниква поради факта, че по време на съществуването на възбудено състояние на донора (c) осцилиращият възбуден електрон генерира променливо електромагнитно поле. Ако неговата честота съвпада с една от резонансните честоти на възбудената акцепторна молекула, тогава възниква нерадиационен резонансен пренос на енергия: електронните трептения се възбуждат в акцептора и донорната молекула без радиация се връща в първоначалното си състояние. Типичните разстояния на индуктивно-резонансен пренос на енергия са 2-5 nm, а характерното време е s. По този начин може да се осъществи енергийна миграция между различни пигментно-протеинови комплекси.

43 В рамките на един локален комплекс за събиране на светлина в съседство с PSII или PSII, където пигментните молекули са плътно опаковани в квазикристална структура, техните електронни нива могат да бъдат социализирани в зони. В този случай е възможен екситонен механизъм на миграция на енергия, при който поглъщането на светлинен квант води до появата на екситон - колективно възбуждане, делокализирано върху цялата система от молекули. Възбуждането на донорната молекула се разпространява през горните вибрационни нива до цялата система от акцептори за време s, което е по-малко от времето на релаксация на вибрационните състояния. Това е най бърз начиненергийна миграция. В края на този интервал от време екситонната енергия може да доведе до възбуждане на определена акцепторна молекула, която се намира на разстояние до 1–1,5 nm от донора.

44 Специфичните механизми на пренос на енергия в FSPBC зависят от тяхната структура и плътността на опаковане на пигментите. Прехвърлянето на енергия на възбуждане между съседни пигментни молекули става за 0,2-5 ps, а между различни пигментно-протеинови комплекси, които са по-отдалечени, е по-бавно. По този начин методите на лазерната спектроскопия разкриват характерни времена на пренос на енергия от порядъка на 0,15-0,3 ps, 2-6 ps и ps. Те могат да съответстват на миграция на енергия между съседни хлорофилни молекули на разстояние от около 1 nm, между отделни пигментни клъстери и между мономери в тример. В първите два случая е възможен екситонният механизъм на миграция на енергия, а в третия е по-вероятен индуктивно-резонансен трансфер. Времето между поглъщането на фотона от пигментите на антената и улавянето на енергия от реакционния център на фотосистема I се оценява като ps, докато това на фотосистема II е около 300 ps.

45 И така, в антена за събиране на светлина, енергията, погълната от форми на пигменти с къса дължина на вълната, мигрира към такива с по-дълга дължина на вълната. По пътя част от енергията се разсейва, но основната част в края "тече" върху пигментите P 680 или P 700 на реакционните центрове, където се извършва разделяне на заряда и последващи фотохимични процеси поради него.

46 Z-схема на фотосинтезата Y висши растенияфотосинтезата включва две фотосистеми I и II с техните реакционни центрове, които включват съответно една молекула P 700 или две молекули P 680 и съответните електронни транспортни вериги. Реакционните центрове на фотосинтезата са големи пигментно-протеинови комплекси, вградени във фотосинтетичните мембрани, със специална опаковка от пигменти и носители на електрони.

47 Фотосистема I Фотосистема I прехвърля електрони към малкия хидрофилен протеин фередоксин, съдържащ (Fe-S) центъра. Това е мобилен носител, способен да мигрира по повърхността на мембраната, подобно на цитохром с, и да прехвърля електрони: а) към NADP + оксидоредуктаза - протеинов комплекс, вграден в мембраната, който редуцира NADP: NADP + + 2e + H + NADPH. Полученият NADPH се използва в цикъла на Калвин за синтезиране на глюкоза.

48 b) към пластохинони и след това през комплекса цитохром b 6 f обратно към P 700. В този случай комплексът цитохром b 6 f създава протонен градиент, който се използва от H + - ATP синтазата, вградена в същата мембрана за ATP синтез. Това циклично фотофосфорилиране възниква, защото много повече ATP молекули са необходими за въглеродната фиксация и синтеза на глюкоза, отколкото за NADP+.

49 Тъй като някои от P 700 електроните се използват в биосинтетични процеси, липсващите електрони се доставят от фотосистема II. Потокът от електрони от фотосистема II през нейната електронна транспортна верига също навлиза в цитохром b 6 f комплекса, като по този начин допринася за генерирането на протонен градиент върху тилакоидната мембрана и след това чрез пластоцианин навлиза в P 700. За неговата Z-подобна форма, тази схема се нарича Z схема на фотосинтезата.

50 Тъй като образуването на една O 2 молекула изисква прехвърлянето на четири електрона от две H 2 O молекули към две NADP +, а прехвърлянето на един електрон от вода към NADP + изисква поглъщането на два фотона (от две фотосистеми), общото уравнение за процесите на пренос на електрони във фотосистеми I и II може да се запише като: 2H 2 O + 2NADP + + 8 фотони O 2 + 2NADPH + 2H +

52 Основният комплекс на фотосистема I включва големи протеини RsaA и RsaB с молекулно теглооколо 83 kDa, които носят PS I реакционни центрове, както и близки молекули на хлорофил а и молекули на каротеноиди. Първичният електронен донор във фотосистема I все още не е изолиран в чиста форма, но е добре характеризиран с помощта на спектрални методи. Неговият спектър на светлинна абсорбция съдържа 2 основни ивици при 700 и 430 nm. В растителните хлоропласти съотношението на P 700 и другите хлорофили е приблизително 1:400. Смята се, че реакционният център Р 700 се образува от димера на хлорофила а. Близо до P 700 в реакционния център са първичните и вторичните акцептори на електрони A 0 и A 1. Ролята на A 0 се играе от молекулата на хлорофила с абсорбционна лента в областта на nm, а вторичният акцептор на електрони A 1 е филохинон (витамин К1). Спомнете си, че хиноните са интрамембранни хидрофобни молекули.

54 Фотосистема II Фотосистема II е по-сложна от фотосистема I, тъй като включва система за окисляване на водата, която доставя електрони към реакционния център. Ядреният комплекс PSII е димер от две субединици, които включват два почти идентични протеина D1 и D2, които са структурната основа за организацията на реакционни центрове, цитохром b 559, както и антенни протеини CP43 и CP47. Съставът на реакционния център на фотосистема II, в допълнение към 6 молекули хлорофил а, включва две молекули феофитин, две молекули β-каротин и една молекула цитохром b 559. Те се задържат и локализират във фотосинтетичната мембрана от a двойка от почти идентични интегрални протеини D 1 и D 2 и няколко по-малки протеини.

55 Във фотосистема II хлорофил а, Р 680, служи като първичен електронен донор.Предполага се, че ролята на реакционен център Р 680 в PSII се играе от хлорофилния димер. Но спектралните свойства показват, че P 680 може да съдържа още шест молекули хлорофил, разположени на известно разстояние. Изследването на P 680 е трудно, тъй като той е много силен окислител и може да окисли съседни молекули. Наистина, за окисляването на водна молекула нейният редокс потенциал трябва да надвишава +810 mV.

56 Разделянето на зарядите и прехвърлянето на електрони в реакционния център на фотосистема II се извършва приблизително по същия начин, както във фотосистема I. Методите на лазерната спектроскопия показват, че след поглъщане на светлинен квант, електрон се прехвърля от възбуден хлорофил P 680 * към първичния акцептор феофитин в 3 ps с ефективност от% (FF) е пигмент от порфириновата серия, който не съдържа координиран метален атом, - с образуването на радикална двойка (R FF). През следващите 150 ps, ​​електронът се прехвърля към пластохинона PQA (или просто QA), който е силно свързан с протеини, и от него към слабо свързания пластохинон PQB (или QB), разположен извън реакционния център. Последният, след като получи два електрона и добави два протона от вода, се превръща в напълно редуцирана форма PQ B H 2, която след дифузия вътре в мембраната прехвърля електрони към комплекса от цитохроми b 6 f.

58 A. Пространствена организация на реакционния център на фотосистема II (според рентгенов дифракционен анализ с разделителна способност 3,8) Стрелките показват пътя на електроните от донора, Mn йони в Mn 4 клъстера на водоокислителната система , към вторичния хинон QB. B. Схема на разделяне на първичния заряд във фотосистема II, показваща, че първоначалният донор на електрони за феофитин (Phe) е хлорофил, свързан с D1, и получената „дупка“ мигрира към P680 (след Barber, 2003)

59 Комплекс от цитохроми b6f Комплексът от цитохроми b 6 f е подобен на митохондриалния комплекс от цитохроми bc 1. Той участва в прехвърлянето на електрон от фотосистема I (от фередоксин) или от фотосистема II (от пластохинон PQ B H 2) през пластоцианин до фотосистема I. Този комплекс е димер от два идентични мономера. Той съдържа два цитохрома b 6 с хеми с висок и нисък потенциал (означени съответно като b H и b L), цитохром f с хем f, друг хем х с неизвестна функция и β-каротин, чиито функции също са неизвестни. Той също така включва желязо-сярен протеин Riske с център (Fe 2 -S 2).

60 Plastoquinone PQ B вероятно транспортира протони през фотосинтетичната мембрана чрез механизъм, подобен на Q-цикъла в митохондриалния комплекс от цитохроми bc 1. Във всеки случай се предполага, че има място за свързване на пластохинон в зоната на контакт на всеки мономер с друг мономер, така че между тях може да се постави двойка пластохинони PQ и PQH 2, които могат да осъществят Q-цикъла. Но за разлика от митохондриите, където водородните йони се прехвърлят от матрицата към междумембранното пространство, в хлоропластите протоните се прехвърлят вътре в тилакоидите. Това води до създаването на електрохимичен протонен градиент, използван от H+-ATP-синтаза (F 0 F 1 ) за производство на АТФ.

61 Съвместната работа на комплекса от цитохроми b 6 f, NADP + -оксидоредуктаза и водоокислителната система създава 1000-кратен градиент на концентрация на протони. В резултат на това интратилакоидният обем придобива рН 5, докато рН на стромата е около 8. Това създава протонна движеща сила от около 200 mV върху тилакоидната мембрана (една рН единица е приблизително равна на 60 mV), почти изцяло поради разликата в концентрациите на H +, а не на мембранния потенциал (тилакоидната мембрана е пропусклива за Mg 2+ и Cl - йони и те изравняват потенциалната разлика). Тази протонна движеща сила се използва от H + - ATP синтетазата, същата като в митохондриите, за синтезиране на ATP.

63 Прехвърлянето на протони от комплекса от цитохроми b 6 f в тилакоидите се извършва съгласно механизма на Q-цикъла, както в митохондриалния комплекс от цитохроми bc 1. Един от PQH 2 електроните се прехвърля към нископотенциалния хем b L , а другият към Fe 2 -S по-нататък през цитохром f до пластоцианин. В същото време протоните се абсорбират от стромата, свързвайки се с пластохинон (Q + 2H + QH 2), които след това се освобождават в тилакоида.

64 Водоокислителна система Първоначалният източник на електрони за електронно-транспортните системи на фотосинтезата е водата. Той също така доставя водородни йони за създаване на протонния градиент. Но за да ги получите, е необходимо да се раздели водната молекула: 2H 2 O 4 H e + O 2

65 Необходими са поне четири фотона, за да се разделят две водни молекули. Но фотосинтетичната машина може да манипулира само един електрон наведнъж. За да разрешат този проблем, фотосинтетичните клетки имат специална система за окисляване на водата (или разделяне на водата), тясно, структурно и функционално, свързана с фотосистема II. Той прехвърля електрона, взет от водата, към P 680, за да компенсира загубата на електрон в процеса на разделяне на заряда. Тоест, той е директен донор на електрони за P 680. Молекулярната природа на този донор на електрони (той е обозначен като Z) остава неизвестна дълго време, но след това се установява, че един от тирозините на полипептида D1 (YZ ) играе своята роля. Но тъй като P 680 може да приеме само едно e всяко и четири от тях трябва да бъдат освободени по време на разделянето на водата, тогава трябва да има каталитичен център, способен да свързва две водни молекули, да акумулира отцепените електрони и да ги насочва един към друг време до P 680.

66 Предполага се, че системата за окисление на водата работи като 4-тактов цикличен механизъм. Наистина, при експерименти с PSII осветяване с къси светкавици, относителният добив на кислород е максимален след 1-вото и 5-то светкавици. Предполага се, че комплексът, произвеждащ O 2, съществува в пет междинни степени на окисление: S 0, S 1, S 2, S 3 и S 4, преходът между които възниква, когато се освети от последователни светкавици. Тази последователност се нарича S-цикъл.

68 Но кое вещество може да акумулира 4 електрона, променяйки валентността си с 4 единици? Те се оказаха манганови йони. Манганът е открит отдавна в състава на PSII и се знае, че ако е по-малко от 4 атома на молекула P 680, тогава O 2 не се освобождава. Манганът може да бъде в няколко стабилни състояния от Mn +2 до Mn +7. За йон, свързан с протеин, това се означава като Mn(II), Mn(III) и т.н. Показано е, че преходът S 0 S 1 S 2 променя степента на окисление на мангана: Mn (II) Mn (III) Mn (IV).

69 С помощта на рентгенова спектроскопия бяха открити четири манганови клъстери във фотосинтетична мембрана и тяхната структура беше изследвана. Те се състоят от два димера, в които мангановите атоми са свързани с кислородни мостове. Предполага се, че след отстраняването на четири електрона, окисленият манганов клъстер в състояние S 4 е в състояние да окисли две водни молекули. Това се случва в последния етап от цикъла S 4 S 0.

75 В първия етап от цикъла на Калвин въглеродът се фиксира (асимилира) от въглероден диоксид, т.е. прикрепването на молекула CO 2 към молекула с пет въглерода на рибулоза-1,5-бисфосфат с нейното разделяне на две молекули с три въглерода на 3-фосфоглицерат. След това с участието на NADPH и ATP се редуцира до глицералдехид-3-фосфат, който се използва за синтеза на захари и нишесте, както и за производството на ATP в гликолитичния процес. И накрая, с участието на АТФ може да настъпи регенерация на въглеродния акцептор, рибулоза-1,5-бисфосфат, като по този начин цикълът се затваря.

Z-схема на фотосинтезата

При висшите растения фотосинтезата включва две фотосистеми I и II с техните реакционни центрове, които включват съответно една молекула P 700 или две молекули P 680 и съответните вериги за пренос на електрони (фиг. 3.1 и 3.14). Реакционните центрове на фотосинтезата са големи пигментно-протеинови комплекси, вградени във фотосинтетичните мембрани, със специална опаковка от пигменти и носители на електрони.

Фотосистема I

Фотосистема I прехвърля електрони към малък хидрофилен протеин, фередоксин, съдържащ (Fe-S) център. Това е мобилен носител, способен да мигрира през повърхността на мембраната, подобно на цитохром c, и да пренася електрони:

а) върху NADP + -оксидоредуктаза - протеинов комплекс, вграден в мембраната, който възстановява NADP:

NADP + + 2e - + H + ® NADPH.

Полученият NADPH се използва в цикъла на Калвин за синтезиране на глюкоза.

б) до пластохинони и след това през комплекса от цитохроми b 6 f - обратно до P 700. В този случай комплексът от цитохроми b 6 f създава протонен градиент, който се използва от Н + -АТФ синтазата, вградена в същата мембрана, за синтеза на АТФ. Това циклично фотофосфорилиране възниква, защото много повече ATP молекули са необходими за въглеродната фиксация и синтеза на глюкоза, отколкото за NADP+.

Тъй като някои от P 700 електроните се използват в биосинтетични процеси, липсващите електрони се доставят от фотосистема II. Потокът от електрони от фотосистема II през нейната електронна транспортна верига също навлиза в комплекса цитохром b 6 f, допринасяйки за генерирането на протонен градиент върху тилакоидната мембрана и след това чрез пластоцианин навлиза в P 700 (фиг. 3.14). Заради Z-образната си форма тази верига се нарича Z-верига на фотосинтезата.

Тъй като образуването на една O 2 молекула изисква прехвърлянето на четири електрона от две H 2 O молекули към две NADP +, а прехвърлянето на един електрон от вода към NADP + изисква поглъщането на два фотона (от две фотосистеми), общият уравнението за процесите на пренос на електрони във фотосистеми I и II може да се запише като:

2H 2 O + 2 NADP + + 8 фотони > O 2 + 2 NADPH +2 H + .

При разрушаването на хлоропластите чрез ултразвук са открити частици със седиментационна константа 38 S, с диаметър 30 ​​nm, запазващи способността си да фотосинтезират. Електронните микрографии на разцепванията на мембраната, получени чрез метода на замразяване и ецване, показват големи гранули с размери 10x15x18 nm и с молекулно тегло около 2 MDa. Предполага се, че това са компоненти на фотосистема II, разположени на повърхността на тилакоидната мембрана, обърната към интратилакоидното пространство. По-малките гранули, за които се предполага, че лежат върху обърнатата към стромата повърхност на тилакоидната мембрана, все още не са идентифицирани.

Основният комплекс на фотосистема I включва големи протеини RsaA и RsaB с молекулна маса около 83 kDa, които носят PS I реакционни центрове, както и около 90–100 молекули хлорофил а и 12–16 молекули каротеноид.

Първичният електронен донор във фотосистема I все още не е изолиран в чиста форма, но е добре характеризиран с помощта на спектрални методи. Неговият спектър на светлинна абсорбция съдържа 2 основни ивици при 700 и 430 nm. В растителните хлоропласти съотношението на P 700 и другите хлорофили е приблизително 1:400. Смята се, че реакционният център Р 700 се образува от димера на хлорофила а. Близо до P 700 в реакционния център са първичните и вторичните акцептори на електрони A 0 и A 1 . Ролята на A 0 се играе от хлорофилна молекула и с абсорбционна лента в областта от 693-695 nm, а вторичният акцептор на електрони A 1 е филохинон (витамин K 1). Спомнете си, че хиноните са интрамембранни хидрофобни молекули.

Методите на лазерната спектроскопия показват, че прехвърлянето на електрон от P 700 към A 0 се извършва за по-малко от 10 ps. След това за 20–50 ps (според различни източници) електронът преминава към A 1 . От него електрон за 200 ps (според други източници за 20-50 ns) преминава към клъстера 4Fe-4S (F X), разположен вътре във фотосинтетичната мембрана. След това, през следващите 170 ns - върху димер от два 4Fe-4S клъстера (F A и F B), разположени на повърхността на тилакоидната мембрана, обърната към стромата, и накрая, след 0,5-100 μs - върху фередоксин (Fd) . Тези компоненти на PS I се задържат във фотосинтетичната мембрана от комплекс от протеини PsaA, Psa B … PsaL. Трябва да се отбележи, че желязо-сярните протеини все още не са изолирани и характеризирани, т.к те лесно се денатурират при опит за изолиране. Хидрофилният протеин фередоксин с тегло около 10,7 kDa съдържа 2Fe-2S клъстер. Той се задържа върху стромалната повърхност на тилакоидната мембрана поради електростатично взаимодействие с протеина PsaD (Rubin, 2000). Фередоксинът е основният превключвател, който насочва електроните или към Fd: NADP + -оксидоредуктаза за синтез на NADPH, или към цитохром b 6 f комплекса, от който те се връщат един по един към P 700 чрез водоразтворимия протеин пластоцианин. Прехвърлянето на електрони към и от фередоксин към други молекули отнема много повече време, микросекунди, поради необходимата дифузия на този протеин.

Механизмът на пренос на електрон във фотосинтетичните вериги на електронен транспорт, както и в митохондриите, е двоен - тунелиране в надмолекулни комплекси пигмент-протеин и прехвърляне между комплексите чрез пул от мобилни носители.

Светлинната фаза на фотосинтезата зависи от навлизането на светлинно лъчение (фотони) в клетката. В природата фотосинтезата се стимулира от слънчевата светлина.

Хлорофилите и другите пигменти, съдържащи се в хлоропластите на растителните клетки, улавят излъчването с определени дължини на вълната. Фотонната енергия прехвърля електроните на пигментите на по-високо енергийно ниво. Вместо да се върнат отново на предишното енергийно ниво с обратното излъчване на енергия, електроните се улавят от акцептори и се пренасят по електронната транспортна верига, вградена в мембраната на хлоропластните тилакоиди.

По пътя на електроните тяхната енергия се губи частично и частично се изразходва за синтез на АТФ и намаляване на NADP. По този начин слънчевата енергия се преобразува в енергия химически връзки, след което се използва в тъмната фаза за синтеза на органични вещества. В този смисъл светлинната фаза на фотосинтезата може да се нарече подготвителна.

Веригата за пренос на електрони се състои от пигменти, ензими и коензими. Някои са локализирани в мембраната почти неподвижни, други се движат, действайки като носители на електрони и протони.

Светлинните реакции на фотосинтезата обаче протичат не само върху тилакоидната мембрана. Също така изстрелват фотони от светлина фотолиза на вода. В резултат на фотолиза водата се разпада на водородни протони (H +), електрони (e -) и кислородни атоми (O). Последните, комбинирайки се по двойки, се освобождават от клетката под формата на молекулярен кислород (O 2).

Причината за необходимостта от фотолиза става ясна с по-подробно разглеждане на реакциите на светлинната фаза, протичащи върху тилакоидната мембрана.

Тук функционират две фотосистеми. Това са т.нар фотосистема IИ фотосистема II. Всеки от тях улавя светлинна енергия и от всеки излизат възбудени електрони, които се приемат от техните акцептори. Във фотосистемите се образуват електронни дупки, т.е. липса на електрони. Хлорофилите на реакционните центрове на фотосистемите се зареждат положително. За да може системата да работи отново, е необходимо да се премахнат тези дупки поради притока на електрони отвън.

При растенията светлинната фаза на фотосинтезата е организирана по такъв начин, че фотосистема I запълва дупките с електрони, транспортирани от фотосистема II. И тя получава електрони, които се образуват по време на фотолизата на водата.

Електроните, напускащи първата фотосистема, преминавайки през електронтранспортната верига, достигат до NADP. Този коензим се редуцира и зарежда отрицателно. След това привлича водородни протони, превръщайки се в NADP H 2 . Следователно, фотолизата на водата е необходима за производството на протони и електрони.

По пътя на електроните от втората фотосистема към първата се синтезира АТФ поради натрупаните електрохимичен градиенте разликата в заряда на противоположните страни на мембраната.

Нека да разгледаме по-отблизо опростена диаграма на светлинната фаза на фотосинтезата:

В допълнение към светлинната енергия, фотолизата на водата също изисква ензим, който е отбелязан на диаграмата като " водоокислителен комплекс". Вграден е във фотосистемата. Получените протони остават в лумена, докато електроните отиват във фотосистема II (PSII). Електронният поток е показан със синята пунктирана стрелка.

Етикетите P680 и P700 във фотосистемите обозначават дължините на вълните на светлината, които се абсорбират предимно от реакционните центрове на PS. Самите фотосистеми имат сложна структура. В допълнение към излъчването на електрони реакционен център, те също включват комплекс за лека реколта.

От PSII електроните се прехвърлят към коензима пластохинон. Тъй като е зареден отрицателно, той прикрепя протони от стромата. Протонният поток е показан с червена пунктирана стрелка. Пластохинонът транспортира електрони и протони до ензима цитохром b 6 f комплекс. Последният окислява пластохинона.

Цитохром-b 6 f изпомпва протони в лумена и прехвърля електрони към следващия коензим носител - пластоцианин.

По това време, поради протони, прехвърлени от стромата и образувани в резултат на фотолиза на водата, в лумена се натрупва достатъчен положителен заряд, за да може ензимът да „работи“ АТФ синтаза. Чрез неговите канали протоните се втурват към външната страна на тилакоидната мембрана. Тази енергия се използва от АТФ синтазата за синтезиране на АТФ от АДФ и фосфорна киселина.

Пластоцианинът транспортира електрони до PSI, намалявайки го. Оттук в резултат на действието на светлината се пренасят електрони в фередоксин. Под действието на ензим фередоксин-NADP-редуктазавъзстановява NADP. В този случай се използват и протони, разположени в стромата на хлоропласта. Те пристигнаха тук, включително по каналите на АТФ синтазата.

Разгледаните реакции на светлинната фаза са нецикличен електронен транспорт . Този етап от фотосинтезата обаче може да продължи кръгова пътека. В този случай феродоксинът не редуцира NADP, а пластохинона. Така PSI си връща електроните обратно. В случай на цикличен електронен транспорт, синтезът на NADP H2 не се осъществява, светлинната фаза произвежда само ATP.

Нецикличният (обикновен) електронен транспорт се нарича още Z-схема на електронен трансфер. Ако изобразите потока от електрони, като вземете предвид постепенното намаляване на тяхната енергия, тогава ще получите диаграма, подобна на буквата Z, завъртяна на 90 °.

Още през 1905 г. англичанинът Ф. Бекман, изучавайки фотосинтезата при различна осветеност и температура, разкри, че при слаба светлина продуктивността на фотосинтезата зависи изцяло от осветеността и расте с нея, но до определена граница. Рано или късно светлината спира да работи. Предполага се, че фотосинтезата може да бъде разделена на две фази: светлинни реакции, които не зависят от температурата, и тъмни реакции, които не зависят от светлината, но зависят от температурата. Първичен експериментално потвърждениеналичието на две фази на фотосинтезата са получени при експерименти със светлинни проблясъци.

През 1920 г. О. Варбург решава да разбере какво е по-добро за фотосинтезата - ярка светлина или тъмнина, която се прекъсва от светлинни проблясъци. Изводът беше следният: тъмната фаза е в пъти по-дълга от светлата; по време на проблясък на светлина растението съхранява енергия, която е необходима за някои тъмни процеси, свързани с фиксирането на CO 2 . Този последен процес е бавен и докато приключи, растението не се нуждае от светлина.

Идеята за наличието на две фотосистеми в хлоропластите е предложена от Р. Емерсън през 1957 г. Той открива, че червената светлина с дължина на вълната над 700 nm става много ефективна, когато се използва заедно със светлина с къса дължина на вълната. Това явление, наречено "ефектор на усилване на Емерсън", беше основата за хипотезата, че фотосинтезата включва две различни светлинни реакции; Оптималните условия за фотосинтеза се формират, когато тези две реакции протичат едновременно. Тази хипотеза се потвърждава от директното изолиране на отделни фотосистеми (PS I и PS II) от хлоропластите на висшите растения.

Двете пигментни фотосистеми са двете машини, управляващи фотосинтезата в светлинния стадий. Всеки се състои от реакционен център и ансамбъл от молекули - събиращи светлина пигменти (пигментно-протеинов комплекс - PBC. Всяка фотосистема има свой собствен отделен набор от пигменти, както и носители на електрони, свързани с тях, и всяка фотосистема има свой собствен присъщ фотосинтетични реакции.

PS I съдържа първата пигментна система с P 700, мономерната форма на Chl 695, протеини, съдържащи желязо и сяра, 1-2 молекули феродоксин, 1 молекула цитохром и пластианин и 2 молекули цитохром b 6 ;

PS II съдържа втората пигментна система с P 680, 4 молекули пластацианин, 2 молекули цитохром b 559и 6 манганови атома.

ETC включва също набор от пластахинони, липидоразтворими е- и Н+ носители.

Съставът на светлосъбиращите пигменти (светлосъбиращи антени) включва: каротин, хл. 662,670,677,684,692(FS I) и PS II: 622, 670, 677. Освен това има и светлосъбиращ протеинов комплекс (LSC) (фиг. 2.9).

Смята се, че при нисък интензитет на светлина собствените антени на PS I и PS II абсорбират малко фотони светлина и следователно не могат да поддържат необходимата скорост на фотосинтетичните реакции и е необходим допълнителен приток на енергия, който ще осигури SSC.

Обратно, при висок интензитет на светлината пигментните системи не изискват толкова много енергия и следователно съдържат значително по-малко SSC.

В състава на SSC ​​влизат ксантофили, хлорофил b, малко хлорофил А. SSC прехвърля абсорбираната енергия към PBC и след това към реакционния център (фиг. 2.10).

Получавайки тази енергия, специална форма на хлорофил в реакционния център преминава във възбудено състояние (Chl*). Chl* има много висока реактивност и е силен редуциращ агент.

В A / A - редокс системата, A се редуцира до A -. От А - електронът преминава и през други компоненти на електронната транспортна верига в крайна сметка се прехвърля към NADP +. Хлорофилът, който е дарил електрон, преминава в състояние на свободен катион - радикал X +. Той се връща в основното първично състояние, като е получил електрон от редуцираната форма D - - на втората редокс система D / D - . Окисленият D се редуцира до D -, получавайки електрон от водата (фиг. 2.11).

Хипотезата, че кислородът трябва да се отделя от водата, е изразена през 1931 г. от К. Ван Нийл (Холандия). През 1937 г. англичанинът Р. Хил показва, че изолираните хлоропласти отделят кислород на светлина в присъствието на акцептор на електрони (ферицианид, бензохинон и др.) Реакцията на Р. Хил се записва най-общо, както следва:

Като цяло реакцията на разлагане на водата протича в три етапа (етапи). В този случай акцепторът е хинон. По този начин процесите на освобождаване на O 2 и намаляване на CO 2 са независими един от друг.

През 1941 г. по едно и също време две групи учени А. П. Виноградов и Р. В. Тайс в СССР и С. Рубен и М. Д. Камен в САЩ доказват, че целият кислород, който се отделя по време на фотосинтезата, е кислородът на водата, а не CO 2 както се смяташе досега.

PS (II) и PS (I) се поставят последователно в електронната транспортна верига от H 2 O до NADP +. Два електрона и два протона са необходими за възстановяване на една молекула NADP+ по време на фотосинтеза, като водата е донор на електрони. Фотоиндуцираното окисление на водата възниква в PS II, редукция на NADP+ се случва в PS I. По този начин фотосистемите трябва да функционират във взаимодействие.

Въз основа на данните за квантовия добив на фотосинтезата (количеството освободен O 2 или свързан CO 2 на 1 квант погълната енергия), осем светлинни кванта са необходими за освобождаване на една O 2 молекула; от състава на компонентите на PS I и PS II и стойността на редокс потенциала е разработена схема за последователността на реакциите в светлинния стадий на фотосинтезата. Поради приликата с буквата Z тази верига се нарича Z-верига (фиг. 2.12).

Принципът на Z-схемата е предложен за първи път от R. Hill и Pendal (1960) и експериментално потвърден от трудовете на Dneizens (1961).

PS I е единственият присъстващ в бактериите, който работи без участието на кислород; този FS вероятно е имал предимства в ранните етапи биологична еволюциякогато в земната атмосфера е имало малко кислород. С развитието на PS II растенията успяха да отделят молекулярен кислород от водата. Вероятно това обстоятелство определя промените в свойствата на земната атмосфера: от анаеробна тя става аеробна.

По този начин фотохимичната работа във висшите растения, извършвана по време на фотосинтезата, може в крайна сметка да се сведе до разлагането на водата.

Първо обаче физическата енергия на уловените фотони трябва да бъде модифицирана и преобразувана в "химическа" енергия. Отбелязахме, че енергията мигрира към реакционните центрове. В резултат отделните електрони получават достатъчно енергия, за да могат да се преместят от молекулите на хлорофил P 700 или P 680 към молекулите носители на електрони. Носачът абсорбира определена часттази енергия на активиране и предава електрона на следващия носител, където този процес се повтаря. В хлоропластите различни носители на електрони са разположени върху мембраната или вътре в мембраните и образуват редица, в която са разположени в съответствие със способността да приемат електрони (с други думи, с техния редокс потенциал). Така електронът се движи от един носител към друг, подобно на това как водата се движи по каскада - от един перваз към друг.

Нека обясним същността на основните съставни елементи, включени в PS I и PS II.

PSII реакционен център(Фиг. 2.13) включва освобождаващ кислород комплекс, хлорофил P 680, първичен акцептор на електрони феофитин (Feo) - производно на Chl, в който Mg е заменен с протони, и вторични акцептори - mo молекули

нохинон (Q n и Q c), както и пластохинон (Q).

Ядрото на реакционния център PS II се състои от два мембранни протеина (D 1 и D 2) с молекулни тегла (MW) от 32 и 34 kD. И двата протеина имат пет трансмембранни бримки и служат като основа за свързване на повечето от простетичните групи, които действат като преносители на електрони. Други протеини (43 и 47 kD) на PS II са част от комплекса от светлосъбиращи пигменти или участват в освобождаването на кислород по време на фотоокислението на водата (33, 23, 16 kD). Функции на други протеини с малък ММ, като цитохром b 559 и други са все още неизвестни.

Комплексът, отделящ кислород, включва Mn-съдържащ пул и калций и хлор като кофактори. Медиаторът между центъра за освобождаване на кислород и хлорофил Р 680 е остатъкът от аминокиселината тирозин (Y z) на протеин D 1 (виж фиг. 2.13).

PS I реакционен центървключва първичен донор на електрони Chl Р 700 , първичен акцептор Chl А(A 0), междинен акцептор - филохинон (A 1), вторични акцептори - желязо-сярни протеини (F X, F A, F B), водоразтворим желязо-сярен протеин фередоксин (F D), разтворим флавопротеин - фередоксин-NADP-редуктаза ( F P).

PS I е интегрален пигментно-протеинов комплекс с MM от около 340 kD.

Цитохром b комплекс 6 /fсъставен от цитохром b 6, цитохром f, желязо-сярен протеин Riske и субединица IV. Цитохром b 6 и субединица IV са най-хидрофобните елементи на комплекса. Протетична група на цитохрома fпредставена от хем с-тип и подобна група цитохром b 6 се състои от две скъпоценни камъни b-тип, ковалентно свързан с хистидинови остатъци. Единият хем се нарича високопотенциален (H), вторият се нарича нископотенциален (L).

При преноса на електрони от PS II, а именно от комплекса b 6 /fПластоцианин (водоразтворим протеин, съдържащ два медни атома) участва в PS I.

Същността на реакциите, протичащи на светлината, е изяснена от Д. Арнон (САЩ) през 1954-1958 г. Той показа, че на светлина в изолирани хлоропласти, ATP се образува поради добавянето на минерален фосфор (P) към ADP.

По време на движението на електрон по такава верига от носители, част от неговата енергия се превръща в химическа форма, тъй като благодарение на него ATP се синтезира от ADP и неорганичен фосфор и се съхранява значително количество енергия - 8–10 kcal. / mol.

Допълнителни изследвания показват, че синтезът на АТФ е свързан с транспорта на електрони – цикличен или нецикличен.

Цикличен електронен транспорт.В първата пигментна система P 700 е капан пигмент, а останалите са асемблери (антенния комплекс). Когато се абсорбира светлинен квант, един от P 700 електроните преминава на по-високо енергийно ниво и се присъединява към Chl 695(A 0) и филохинон (A 1), а след това протеини, съдържащи желязо и сяра (FeS). Редокс потенциал P 700 в основно състояние + 0,43 V; по този начин тенденцията към загуба на електрони е слабо разкрита в него. Когато в резултат на поглъщането на светлинен квант молекулата P 700 влезе във възбудено състояние, нейният окислително-възстановителен потенциал пада до -0,6 V и следователно тя лесно отдава електрон (фиг. 2.14).

От протеин, съдържащ желязо и сяра, един електрон се прехвърля към носител, наречен фередоксин. От фередоксин електронът отново се връща към P 700 чрез редица междинни носители, включително цитохроми b 6И fа също и пластоцианин. Докато един електрон се транспортира по този цикличен път, неговата енергия се използва за добавяне на Fn към ADP, за да се образува ATP.

Нецикличен електронен транспорт. Когато устицата на листа са отворени и хлоропластите абсорбират светлина с различни дължини на вълната, PSII се включва едновременно с PS I. Заедно те съставляват система за нецикличен електронен транспорт.

Както беше отбелязано по-горе, под действието на светлината P 700 преминава във възбудено състояние (P 700 *) и се окислява (P 700 +), електроните се прехвърлят към акцептори A 0 (хлорофил А) и A 1 (филохинон). По-нататък върху мембранно свързани желязо-сярни протеини (F X, F A, F B), през които електроните влизат във фередоксин. Но в този случай електроните преминават от последния през флавопротеина - фередоксин-NADP-редуктаза - за редуциране на NADP + до NADPH (вижте Фиг. 2.12).

В този случай един електрон преминава от фередоксин през различни флавопротеини към NADP +. Когато два електрона се прикрепят към NADP+ от водната среда, която заобикаля тилакоидните мембрани, водните протони се прикрепят към него и се образува NADPH, който се използва в последващи реакции за редуциране на CO 2 до нивото на въглехидрати.

Така P 700 се окислява, в него се образува електронна "дупка". Той не може да остане дълго в това състояние. Откъде взема електрона?

Когато се абсорбира светлинен квант, P 680 също преминава във възбудено състояние и отдава електрон на първичния акцептор феофитин. В този случай хлорофилът Р 680 преминава в окислена форма и феофитинът се възстановява (Feo -). След това електронът се прехвърля към два хинона Q A и Q B (менохинони). След това електроните навлизат в липидоразтворимия пул от пластохинони (Q), който функционира като "двуелектронна врата". Един от електроните влиза в цикъла на цитохромите b 6 (цитиран б/ф), а вторият се изпраща по линейна верига до PS I. След това електроните се прехвърлят към водоразтворимия протеин пластоцианин (Pc) и към уловителя P 700 (виж Фиг. 2.12).

Но сега „дупката“ се появи на R 680. Тази "дупка" се запълва чрез добавяне на електрон от водата. Електрон от водна молекула се образува под въздействието на светлина (фотоокисление или фотолиза). В резултат на това водната молекула се разрушава, образувайки протони и кислород:

Инхибиторът на тази реакция е диурон (дихлорофенилдиметилурея). Растенията, третирани с диурон, умират, тъй като транспортът на електрони от водата е блокиран, АТФ не се образува и NADP + не се възстановява и следователно възстановяването на CO 2 е невъзможно.

Протоните, образувани при фотоокислението на водата, остават в водна средатилакоиди на хлоропластите, който включва не само водни молекули, но и Н + - и ОН - йони. Натрупването на протони от вътрешната страна на тилакоидната мембрана играе роля в образуването на АТФ, което ще бъде обсъдено по-нататък. Този начин на електронен транспорт се нарича нецикличен.

Нецикличният електронен транспорт също е свързан със синтеза на АТФ. Процесът на ADP фосфорилиране с образуването на ATP, свързан с нецикличен електронен транспорт, се нарича нециклично фотосинтетично фосфорилиране (виж фиг. 2.12).

По време на светлинната фаза електроните се прехвърлят от вода (E = +0,81 V) към NADP + (E = - 0,32 V). Прехвърлянето на електрони от вещество с по-положителен потенциал към вещество с по-отрицателен потенциал изисква енергия. Използва се енергията на светлината, погълната от пигмента. За транспортирането на всеки електрон са необходими два кванта. Този трансфер на електрони срещу редокс градиента е фотохимичната работа.

Следователно същността на светлинната реакция на фотосинтезата е последователният транспорт на електрони от една молекула към друга, причинена от светлина, в резултат на което се образуват АТФ и НАДФН (фиг. 2.15).

Тъй като молекулата, която губи електрон, се окислява, а тази, която го получава, се възстановява, това е редокс процес. За транспортирането на електрони от един носител към втория, както и за преноса на енергия между пигментните молекули е необходимо внимателно опаковане на молекулите и строг ред в тяхното разположение, следователно светлинният етап на фотосинтезата е свързан с тилакоидните мембрани на хлоропласти. Освен това, с помощта на мембрани, процесите на образуване на кислород и мощен редуциращ агент се разединяват, в противен случай те биха могли да взаимодействат.

Основните разлики между тези два вида фосфорилиране са дадени в следващата таблица (Таблица 2.4).

Следователно, само PS I участва в цикличния електронен транспорт, докато двама участват в нецикличния електронен транспорт. PS I е разположен в тилакоидите на стромата, докато PS II е разположен само в тилакоидите на gran.

Таблица 2.4

Сравнение на циклично и нециклично фотофосфорилиране

Електроните, които идват от фередоксин, също могат да бъдат пренесени и да редуцират кислорода, за да образуват H 2 O 2 и в крайна сметка H 2 O. В този случай PS I и PS II функционират и се абсорбират с помощта на редуциран фередоксин в специална реакция с равни количества кислород; такъв поток от електрони се нарича псевдоцикличен. Въпреки че няма нетна промяна в състоянието на кислорода с този поток от електрони, този процес не може да се нарече цикличен, тъй като няма цикличен трансфер на електрони по зададения път.

Синтез на АТФ.Енергията, освободена по време на движението на електрони от P 680 (E \u003d -0,8) до P 700 (E \u003d + 0,4 V), се използва за синтезиране на АТФ от ADP и неорганичен фосфат (фотофосфорилиране).

Има няколко теории, обясняващи механизма на фосфорилиране на ADP, свързан с работата на веригата за пренос на електрони. Химиосматичната теория на английския биохимик П. Мичъл (1961), която за първи път е използвана от А. Ягендорф (1967) за обяснение на процесите на фотосинтетично фосфорилиране, е получила най-голямо признание в момента.

Експериментите на А. Ягендорф бяха както следва (фиг. 2.16 ) . Гранулите с рН 8, изолирани от хлоропластите, се поставят в буферен разтвор с рН 4. След задържане в този разтвор в гранулите се възстановява рН, равно на 4. След това гранулите с рН 4 се прехвърлят в буферен разтвор с pH 8. протонен градиент, който обикновено се образува по време на фотохимични процеси (вътре в тилакоида - pH 4, извън - pH 8). При тези условия, след добавянето на ADP и Pn към средата, ATP се синтезира на тъмно.

Тези експерименти направиха възможно прилагането на хемиосмотичната теория на Мичъл за обяснение на процесите, протичащи по време на фотофосфорилирането в хлоропластите.

Според тази теория пластохинонът, след като прикрепи два електрона, прикрепя друг 2Н + протон от страната на стромата на хлоропласта и ги прехвърля през мембраната в интратилакоидното пространство. Протоните се натрупват вътре в тилакоида и в резултат на фотоокислението на водата.

Поради неравномерното разпределение на протоните от двете страни на мембраната се създава разлика химически потенциаливодородни йони и възниква електрохимичният мембранен потенциал на Н + йони

включва два компонента: концентрация, произтичаща от неравномерното разпределение на Н + йони от двете страни на мембраната, и електрическа (ΔΨ), която се дължи на мембранния потенциал (фиг. 2.16).

Енергията ΔрН и ΔΨ се използва за обратен транспорт на протони от интратилакоидното пространство до стромата на хлоропласта по специални канали. С обратния транспорт на протони се свързва ADP фосфорилирането. Реакцията се катализира от H + -ATP синтетаза, която се състои от две части: водоразтворима каталитична част, разположена в стромата на хлоропласта, и мембранна част. Последният е протонен канал, през който протоните могат да се върнат в стромата на хлоропласта. Ензимът H + -ATP синтетаза може да синтезира ATP, докато протоните се движат. Протоните се движат, когато концентрацията им в интратилакоидното пространство е висока.

За всеки два електрона, прехвърлени по електронната транспортна верига, 4H + се натрупва вътре в тилакоида. За всеки 3H + връщане обратно в стромата на хлоропласта, 1 АТФ молекула.

По този начин, крайни продуктиСветлинните реакции на фотосинтезата са NADPH и ATP. След това тези съединения се използват съответно като редуцираща сила и като източник за превръщането на CO 2 в захар. Стъпките, които съставляват тези трансформации, са известни като "тъмните реакции" на фотосинтезата.

Механизмът на фотосинтезата.

Фотосинтезата е сложен редокс процес, състоящ се от много ензимни реакции, в резултат на които въглеродният диоксид се редуцира и водата се окислява. Тоест въглеродният диоксид е акцептор на електрони, а водата е техен донор. Фотосинтезата се осъществява чрез редуване на две фази:

1. Светлинната фаза, която протича на светлина без участието на въглероден диоксид, не зависи от температурата.

2. Тъмна фаза, протичаща на тъмно с участието на въглероден диоксид в зависимост от температурата.

Състои се от следните последователни етапи:

1. Процесът на поглъщане на слънчевата енергия от пластидните пигменти и образуването на възбудени молекули на хлорофил А.

2. Окисляване (фотолиза) на водата и освобождаване на кислород поради енергията на възбудени хлорофилни молекули.

3. Синтез на АТФ в процеса на фотосинтетично фосфорилиране и образуване на редуциран NADxH2.

Когато молекулата на хлорофила поглъща светлина, възбуденият електрон предава енергията си на хлорофил А, който в процеса на фотосинтезата я преобразува в енергията на химичните връзки. органична материя. В хлоропластите хлорофилът и други пигменти са вградени в тилакоидните мембрани и там се събират във функционални единици, наречени фотосистеми, всяка от които съдържа 250-400 пигментни молекули. Всички пигменти в една фотосистема могат да абсорбират фотони, но само една молекула хлорофил в дадена фотосистема може да използва абсорбираната енергия във фотохимични реакции. Обичайно е да се нарича реакционен център на фотосистемата, а всички останали се наричат ​​антени, тъй като те могат да събират светлина като антени. Има два вида фотосистеми - фотосистема 1 (P1) с оптимум на абсорбция 700 nm (P700) и фотосистема 2 (P2) с оптимум на абсорбция 680 nm (P680). Οʜᴎ работят синхронно, но F1 може да работи независимо.

Z-схема на фотосинтезата (модел на светлинни реакции).

1. Енергията на светлината влиза във F2, където се абсорбира от реакционния център P680, който след това се възбужда. И неговите възбудени енергизирани електрони се прехвърлят към акцепторната молекула Q. Молекулата P680, която е загубила електроните си, може да ги замени с електрони на водата, която се разпада на протони и кислород. Това зависимо от светлина окислително разделяне на водата под действието на светлина и тилакоидни ензими обикновено се нарича фотолизавода.

2. След това електроните се спускат по електронната транспортна верига (ETC) до F1. Съставът на ETC включва цитохроми, протеини, съдържащи желязо и сяра, хинони, протеин пластоцианин, съдържащ мед. Резултатът от тази реакция е трансформацията на ADP молекулата в ATP поради добавянето на фосфат и образуването на макроергична връзка - реакция на фосфорилиране.

3. Във F1 светлинната енергия пренася електрони от P700 към акцептора на електрони P430, който е протеин, съдържащ желязо. Следващият носител на електрони, фередоксин (желязо-железен протеин), прехвърля своите електрони към коензима NAD, който се редуцира до NADxH2, докато молекулата P700 се окислява. Този еднопосочен поток от електрони от вода към NAD се нарича нецикличен електронен поток, а образуването на АТФ се нарича нециклично фосфорилиране.

Z-диаграма на светлинния етап на фотосинтезата

Общият добив на енергия от нецикличния електронен поток е 12ATP, 12NADxH2, освобождава се 1 O2 молекула. Общото уравнение на светлинната фаза на фотосинтезата:

12H2O + 12NAD + 12ADP + 12H3RO4 --- 12NADxH2 + 12ATP + 02

Циклично фосфорилиране.

F1 може да работи независимо от F2. Този процес се нарича цикличен поток от електрони или циклично фосфорилиране. В този случай електроните се прехвърлят от P700 към P430, когато F1 свети. Тогава електроните не отиват в NAD, а по страничната пътека, свързана с F1 към акцептора Q и се връщат към реакционния център F1. Това произвежда ATP молекула от ADP. Тъй като има цикличен поток от електрони, процесът обикновено се нарича циклично фосфорилиране. В този случай няма разлагане на вода, освобождаване на кислород, образуване на NADxH2. Това е по-примитивен начин, характерен е за фотосинтезиращите бактерии и някои еукариоти.

Циклично фосфорилиране