Фотохимические процессы в биологических системах. Световая фаза фотосинтеза Фазы и процессы фотосинтеза

2 Солнечная энергия первичный источник всей биологической энергии. Фотосинтезирующие клетки используют энергию солнечного света для образования глюкозы и других органических продуктов. Эти органические продукты служат гетеротрофным клеткам источником энергии и углерода.

3 Общая характеристика фотосинтеза Фотосинтез – сложная многоступенчатая система фотофизических, фотохимических и темновых биохимических процессов, в которых энергия солнечного света трансформируется фотосинтезирующими организмами (бактериями и растениями) в доступные им формы энергии: химическую (NADPH, ATP) или электрохимическую (H). Используя эту энергию клетка с помощью фотосинтетической системы синтезирует из простых неорганических веществ углекислого газа и воды глюкозу и другие сложные органические вещества. Продуктом этих реакций является также молекулярный кислород, выделяющийся из молекул воды.

4 Фотосинтез – один из важнейших механизмов жизни на Земле, поскольку, за его счет образуются как сложные высокоупорядоченные органические вещества, так и кислород, потребляемые другими организмами (бактериями, растениями и животными) в качестве источников строительного материала и энергии. Основная суммарная реакция фотосинтеза: 6СО 2 +6Н 2 О+hν С 6 Н 12 О 6 +6О ккал/моль

5 Суть фотосинтеза заключается в получении высокоэнергетических электронов за счет энергии квантов света, поглощаемых хлорофиллом. Для того, чтобы предупредить возвращение электрона в исходное состояние и растрату полученной энергии на тепловые процессы, возбужденный электрон очень быстро переносится по электронтранспортной цепи на NADP+, который затем используется в биосинтетических реакциях. Исходным источником электронов является вода, которая при этом расщепляется и выделяет кислород. Этим кислородом, являющимся побочным продуктом фотосинтеза, дышат все аэробные организмы.

7 1) Светособирающие комплексы ССКI и ССКII, принадлежащие фотосистемам I и II. Они содержат пигменты, поглощающие кванты света с разной длиной волны. Энергия, поглощенная ими, мигрирует от пигмента к пигменту, слегка диссипируя на каждом шаге, пока не попадает в реакционный центр с минимальным энергетическим уровнем. Там она вызывает возбуждение фотосинтетических пигментов - молекул хлорофилла Р 700 или P 680 в одной из двух фотосистем – ФС I или ФС II, соответственно.

8 2) Возбужденная молекула хлорофилла Р 700, входящая в состав фотосистемы I (ФС I), способна ионизироваться: P e Оторвавшийся от нее электрон переносится по цепи электронного транспорта на NADP +, восстанавливая его: NADP + + e + H + NADPH. NADPH далее используется в цикле Кальвина для синтеза глюкозы. Вакансия на, образовавшаяся после ухода электрона, заполняется либо собственным электроном, возвращающимся по ЦЭТ в результате циклического переноса, либо электроном, поступающим из ФС II.

9 3) В фотосистеме II за счет энергии возбуждения от молекулы хлорофилла P 680 отрывается электрон: P e и переносится по электрон-транспортной цепи на хлорофилл Р 700, заполняя образовавшуюся там вакансию.

10 4) Вакансия, образовавшаяся на хлорофилле заполняется электроном, который отщепляется от молекулы воды с помощью так называемой водорасщепляющей системы, входящей в состав фотосистемы II. Кроме электрона, она отщепляет протоны от молекулы воды: 2H 2 O 4 H e + O 2 При этом от воды отщепляются и ионы водорода Н +, участвующие в создании протонного градиента, а также выделяется молекулярный кислород, являющийся побочным продуктом данного процесса.

11 5) Перенос электронов по ЭТЦ приводит к одновременному переносу протонов Н + через мембраны тилакоидов хлоропластов в строму комплексом цитохромов b 6 f, подобным митохондриальному комплексу bc 1. Процессы выделения протонов при расщеплении воды и переноса их через мембрану создают электрохимический протонный градиент, который служит источником энергии для синтеза ATP.

14 Хлоропласты Фотосинтез осуществляется в хлоропластах – органеллах растительных клеток. Они обычно имеют двояковыпуклую форму наподобие сложенных вместе блюдец диаметром 3-10 мкм и толщиной 1,5-3 мкм. В растительной клетке бывает от 1 до 1000 хлоропластов.

15 Поперечный срез клетки листа гороха (Pisum sativum) прошел через два хлоропласта. От цитоплазмы хлоропласт отграничен двумя мембранами – наружной и внутренней. Наружная мембрана – гладкая, внутренняя образует выросты – ламеллы. На ламеллах располагаются стопками тилакоиды. На снимке хорошо видны стопки тилакоидов – граны. В тилакоидах гран между слоями белков и липидов сосредоточены молекулы хлорофилла. Он способен улавливать энергию солнечного света, с помощью которой происходит образование углеводов из воды и углекислого газа. Скопления углеводов видны на снимке как темные пятнышки. Трансмиссионный микроскоп, х

18 Хлоропласты растений сходны с митохондриями: они также используют электронтранспортную цепь и хемиосмотический принцип для преобразования энергии. У них также есть двухмембранная оболочка, включающая высокопроницаемую наружную мембрану и внутреннюю низкопроницаемую мембрану со встроенными белками-переносчиками. Внутренняя область, аналогичная митохондриальному матриксу, называется стромой. Но у хлоропластов нету крист, а есть специальная система внутренних мембран – тилакоидов – образующих третий внутренний компартмент.

19 Тилакоиды – плоские мембранные мешочки диаметром порядка 0,5 мкм. Они упакованы в стопки – граны. Внутри них – тилакоидное пространство. Отдельные граны соединяются между собой ламеллами – более протяженными слоями. Тилакоидные мембраны содержат помимо липидов и белков фотовоспринимающие пигменты – разные модификации хлорофилла и ряд других пигментов, образующих светособирающую антенну. В них встроены две фотосистемы ФС I и ФС II, осуществляющие фотосинтез и Н-ATP-синтетаза (F 0 F 1), синтезирующая ATP, как в митохондриях.

20 Ультраструктура тилакоидов. А. Граны тилакоидов. Б. Поверхность тилакоида, выявленная методом замораживания-травления. Видны области с крупными гранулами (В), представляющие внутритилакоидную поверхность тилакоидной мембраны, и области с мелкими гранулами (С), представляющие поверхность тилакоидной мембраны, обращенную к строме. Крупные гранулы предположительно являются компонентами фотосистемы II, природа мелких пока не установлена.

21 В строме находятся собственная ДНК хлоропластов, белок-синтезирующий аппарат, ферменты цикла Кальвина и других метаболических процессов, сахара, липиды, органические кислоты и другие соединения. Так же, как и в митохондриях, ДНК хлоропластов кодирует только часть необходимых белков, тогда как другие белки или их субъединицы кодируются в клеточном ядре. Предполагается, что хлоропласты, как и митохондрии, возникли на ранних стадиях эволюции растений в результате симбиоза растительных клеток и каких-то прокариотических клеток.

22 Фотосинтетические пигменты Основной пигмент фотосинтеза – хлорофилл а (Chl a). Он состоит из порфириновой головки размером примерно 1,5х1,5 нм, обладающей гидрофильными свойствами, и длинного гидрофобного хвоста – фитола – длиной около 2,0 нм. В центре порфиринового кольца хлорофиллов находится ион Mg 2+, связанный координационными связями с атомами азота. Другие формы хлорофилла – b,c,d, а также бактериохлорофилл – отличаются боковыми заместителями и распределением двойных связей в порфириновом кольце.

23

26 Спектры поглощения хлорофиллов имеют две интенсивные полосы: характерную для порфиринов полосу Сорэ в синей или ближней ультрафиолетовой части спектра и «красную» полосу поглощения света в области нм (у бактериохлорофиллов она смещена в ближнюю инфракрасную область нм). Поглощение света в красной области спектра обеспечивается взаимодействием иона магния с сопряженной p -электронной системой порфиринового кольца. (Для сравнения – гем, содержащий в порфириновом кольце не Mg 2+, а Fe 2+ поглощает свет не в красной, а зелено-желтой части спектра).

27 В клетке "красные полосы" поглощения хлорофиллов сдвинуты в длиноволновую область по сравнению со спектрами, полученными в органических растворителях, что указывает на значительную роль пигмент-пигментных, пигмент-белковых и пигмент-липидных взаимодействий вследствие плотной упаковки хлорофилльных молекул в фотосинтетической мембране.

28 Методами низкотемпературной и дифференциальной спектрофотометрии выявлено до 10 модификаций хлорофилла a, различающихся по спектрам поглощения и флуоресценции (т.е. по расположению энергетических уровней), по экстрагируемости из мембраны (т.е. по гидрофильности/гидрофобности) и т.д. Они называются "нативными формами" хлорофилла а. Так, выделены Р 670 (поглощающий свет нм), Р 680, Р 700 и т.д. Основным фактором, обуславливающим свойства этих нативных форм, являются пигмент-пигментные взаимодействия, т.е. образование димеров и более крупных агрегатов. В пигментных агрегатах за счет взаимодействия p -электронных систем происходит "размазывание" электронного облака по двум или нескольким порфириновым кольцам. Соответственно, снижается верхний энергетический уровень и повышается способность поглощать более длинноволновый красный свет.

30 Кроме хлорофилла в фотосинтезирующих клетках встречаются и другие пигменты: феофитины, каротиноиды, фикоэритрины фикобилины и др. Все они содержат длинные цепочки сопряженных связей, в которых π -электронное облако «размазывается» по всей длине, что также приводит к снижению возбужденных энергетических уровней и позволяет поглощать кванты видимого света. У каротиноидов длина цепочек составляет примерно 40 углеродных атомов. Они поглощают свет в области нм и имеют желтый или оранжевый цвет. Фикобилины поглощают свет в области нм. Все они дополняют спектр поглощения хлорофилла, поглощая не только красный свет, но и свет других участков спектра, позволяя растениям эффективно улавливать солнечную радиацию.

31 Светособирающие комплексы Для повышения эффективности использования света фотоны улавливаются не только молекулами хлорофилла в реакционных центрах, но и вспомогательными пигментами, передающими энергию электронного возбуждения в реакционный центр. Действительно, сечение поглощения молекулы хлорофилла см 2, поэтому при интенсивности дневного солнечного света квант/(см 2 сек) интенсивность поглощения квантов одной молекулой не более 1-10 квантов в секунду. Но длительность цикла использования энергии фотона от его поглощения до выделения молекулы О 2 составляет порядка 0,01-0,02 сек. Следовательно, большую часть времени между поглощением отдельных квантов хлорофилл должен "простаивать". Поэтому объединение десятков молекул пигментов, снабжающих энергией один реакционный центр, повышает эффективность фотосинтеза.

33 Кроме заполнения временных интервалов, эффективность светосбора повышается путем «спектрального заполнения», т.е. поглощения квантов в сине-зелено-желтой области, в которой хлорофиллы практически не поглощают свет. Эту роль выполняют разнообразные пигменты – хлорофиллы, каротиноиды, фикоэритрины, фикобилины и др., имеющие полосы поглощения света в этой спектральной области. Десятки молекул пигментов-светосборщиков окружают фотосистемы I и II. Энергия поглощенных фотонов преобразуется в энергию электронного возбуждения молекул пигментов. Она с некоторой диссипацией передается от молекулы к молекуле и после нескольких случайных блужданий попадает на реакционные центры фотосистем I и II - Р 680 или Р 700, являющиеся «энергетическими ловушками», так как в них процесс миграции энергии прерывается. Энергия дальше не передается, а используется для генерации высокоэнергетических электронов и собственно фотосинтеза.

34 Ранее, когда не была установлена определенная пространственная организация пигментных молекул, предполагалось их неупорядоченное расположение в фотосинтетической мембране, и использовался неплохой термин «светособирающая антенна». Но в последние десятилетия, когда стало известно, что молекулы пигментов связаны с белками, организующими их расположение, стали употреблять термин «светособирающие пигмент-белковые комплексы» (ССПБК или просто ССК). В международной литературе для их обозначения используется аббревиатура LHC (Light Harvesting Complexes).

35 Обычно ССПБК окружают функциональное ядро – центральный кор- комплекс, в котором находятся реакционные центры ФС I или ФС II. На периферии ФС I и ФС II располагаются тримеры из белков Lhcb1/Lhcb2, а центральную, коровую часть окружают мономерные антенные белки. В ФСI – это белки Lhca1, Lhca2, Lhca3 и Lhca4, а в ФС II – белки Lhcb3, Lhcb4, Lhcb5 и Lhcb6 (или CP 25, CP29, CP26 и CP24).

36 Каждый мономер триммеров Lhc в фотосистеме ФС II – это белок из трех α-спиралей длиной 4,3; 5,1 и 3,2 нм. Эти белки связывают по 7 молекул хлорофилла а, 5 молекул хлорофилла b и 2 молекулы лютеина. Порфириновые кольца хлорофиллов расположены в два слоя перпендикулярно к плоскости тилакоидной мембраны вблизи от ее наружной и внутренней плоскости.

37 Схема строения ФС I (a) и ФС II (б). На (а) показано расположение тримерных (Lhcb1/Lhcb2) и мономерных светособирающих белковых комплексов (Lhca1, Lhca2, Lhca3 и Lhca4). Кор-комплекс в центре содержит примерно 90 молекул хлорофилла а. На (б) приведено примерное положение тримерных (Lhcb1/Lhcb2) и мономерных светособирающих белковых комплексов (Lhcb3, Lhcb4, Lhcb5 и Lhcb6). В центре показан димер из двух кор-комплексов, каждый из которых состоит из белков реакционного центра D1/D2 и цитохрома b559, окруженных антенными белками CP43 и CP47, содержащими молекул хлорофилла а (по S. Jansson, 1994).

38 Пространственная структура одного из мономеров, входящего в состав тримерного комплекса Lhc. Его три α-спирали заключают 7 молекул хлорофилла а (в центре, более светлые), 5 – хлорофилла b (на периферии, более темные) и 2 – лютеина (черные) (по Nelson, Cox, 2005).

40 Механизмы миграции энергии Важнейший механизм миграции энергии электронного возбуждения в фотосинтетической мембране – индуктивно- резонансный механизм Фёрстера. Он осуществляется с участием синглетных возбужденных уровней (S 1) при соблюдении обязательных правил: 1) донор должен флуоресцировать; 2) акцептор должен иметь полосу поглощения, соответствующую полосе излучения донора; 3) расстояние между ними не должно превышать 4-6 нм.

41 Перенос энергии происходит за счет того, что во время существования возбужденного состояния донора (с) осциллирующий возбужденный электрон генерирует переменное электромагнитное поле. Если его частота совпадает с одной из резонансных частот возбужденной молекулы акцептора, то происходит безизлучательный резонансный перенос энергии: в акцепторе возбуждаются осцилляции электрона, а молекула донора безизлучательно возвращается в исходное состояние. Типичные расстояния индуктивно-резонансного переноса энергии – 2-5 нм, а характерное время – сек. Таким способом может осуществляться миграция энергии между разными пигмент-белковыми комплексами.

43 В пределах одного локального светособирающего комплекса, примыкающего с ФСI или ФСII, где молекулы пигментов плотно упакованы в квазикристаллическую структуру, их электронные уровни могут обобществляться в зоны. В этом случае возможен экситонный механизм миграции энергии, при котором поглощение кванта света приводит к появлению экситона - коллективного возбуждения, делокализованного по всей системе молекул. Возбуждение молекулы донора распространяется по верхним колебательным уровням на всю систему акцепторов за время сек, меньшее, чем время релаксации колебательных состояний. Это самый быстрый способ миграции энергии. В конце этого промежутка времени энергия экситона может привести к возбуждению какой-то конкретной молекулы акцептора, удаленной от донора на расстояние до 1-1,5 нм.

44 Конкретные механизмы переноса энергии в ССПБК зависят от их строения и плотности упаковки пигментов. Перенос энергии возбуждения между соседними молекулами пигментов происходит за 0,2-5 пс, а между различными пигмент-белковым комплексами, удаленными на большее расстояние он осуществляется медленнее. Так, методами лазерной спектроскопии выявлены характерные времена переноса энергии порядка 0,15-0,3 пс, 2-6 пс и пс. Они могут соответствовать миграции энергии между соседними молекулами хлорофилла на расстояние около 1 нм, между отдельными пигментными кластерами и между мономерами в тримере. В первых двух случаях возможен экситонный механизм миграции энергии, а в третьем более вероятен индуктивно- резонансный перенос. Время между поглощением фотона антенным пигментов и захватом энергии реакционным центром фотосистемы I оценивается как пс, а фотосистемы II – порядка 300 пс.

45 Итак, в светособирающей антенне энергия, поглощаемая коротковолновыми формами пигментов мигрирует к более длинноволновым. По пути некоторая часть энергии диссипирует, но основная часть в конце "стекает" на пигменты Р 680 или Р 700 реакционных центров, где за ее счет происходят разделение зарядов и дальнейшие фотохимические процессы.

46 Z-схема фотосинтеза У высших растений в фотосинтезе участвуют две фотосистемы I и II со своими реакционными центрами, в которые входят одна молекула Р 700 или две молекулы Р 680, соответственно, и соответствующие цепи электронного транспорта. Реакционные центры фотосинтеза представляют собой большие пигмент- белковые комплексы, встроенные в фотосинтетические мембраны, с особой упаковкой пигментов и переносчиков электронов.

47 Фотосистема I Фотосистема I переносит электроны на небольшой гидрофильный белок ферредоксин, содержащий (Fe-S)-центр. Это подвижный переносчик, способный мигрировать по поверхности мембраны, наподобие цитохрома с, и переносить электроны: а) на NADP + -оксидоредуктазу – встроенный в мембрану белковый комплекс, восстанавливающий NADP: NADP + + 2e + H + NADPH. Полученный NADPH используется в цикле Кальвина для синтеза глюкозы.

48 б) на пластохиноны, а затем через комплекс цитохромов b 6 f - назад на Р 700. При этом комплекс цитохромов b 6 f создает градиент протонов, использующийся Н + - ATP-синтазой, встроенной в ту же мембрану, для синтеза ATP. Это циклическое фотофосфорилирование осуществляется потому, что для фиксации углерода и синтеза глюкозы необходимо намного больше молекул ATP, чем NADP +.

49 Поскольку часть электронов P 700 используется в биосинтетических процессах, то недостающие электроны поставляются фотосистемой II. Поток электронов от фотосистемы II через свою цепь электронного транспорта также попадает на комплекс цитохромов b 6 f, внося при этом вклад в генерацию протонного градиента на тилакоидной мембране, и далее через пластоцианин попадает на Р 700. За свою Z-подобную форму эта схема названа Z-схемой фотосинтеза.

50 Поскольку для образования одной молекулы О 2 необходим перенос четырех электронов от двух молекул H 2 O на два NADP +, а для переноса одного электрона от воды на NADP + необходимо поглощение двух фотонов (двумя фотосистемами), то суммарное уравнение процессов переноса электронов в фотосистемах I и II можно записать как: 2H 2 O+2NADP + +8фотоновO 2 +2NADPH+2H +

52 В кор-комплекс фотосистемы I входят большие белки RsaA и RsaB с молекулярной массой порядка 83 кДа, которые несут реакционные центры ФС I, а также около молекул хлорофилла а и молекул каротиноидов. Первичный донор электронов в фотосистеме I пока не выделен в чистом виде, но хорошо охарактеризован с помощью спектральных методов. Его спектр поглощения света содержит 2 основные полосы при 700 и 430 нм. В хлоропластах растений соотношение P 700 и других хлорофиллов примерно равно 1:400. Считается, что реакционный центр Р 700 образован димером хлорофилла а. Вблизи P 700 в реакционном центре находятся первичный и вторичный акцепторы электронов А 0 и А 1. В роли А 0 выступает молекула хлорофилла а с полосой поглощения в области нм, а вторичным акцептором электронов А 1 является филлохинон (витамин К 1). Напомним, что хиноны – внутримембранные гидрофобные молекулы.

54 Фотосистема II Фотосистема II устроена сложнее фотосистемы I, так как в ее состав входит водоокисляющая система, поставляющая электроны в реакционный центр. Кор-комплекс ФС II представляет собой димер из двух субъединиц, которые включают по два почти одинаковых белка D 1 и D 2, являющихся структурной основой для организации реакционных центров, цитохром b 559, а также антенные белки CP43 и CP47. В состав реакционного центра фотосистемы II кроме 6 молекул хлорофилла а входят две молекулы феофитина, две молекулы β-каротина и одна молекула цитохрома b 559. Они удерживаются и размещаются в фотосинтетической мембране парой почти одинаковых интегральных белков D 1 и D 2 и несколькими меньшими белками.

55 В фотосистеме II первичным донором электронов служит хлорофилл а – P 680. Предполагается, что роль реакционного центра P 680 в ФСII играет димер хлорофилла. Но спектральные свойства указывают на то, что в состав P 680 могут входить еще шесть молекул хлорофилла, расположенных на некотором расстоянии. Изучение P 680 затруднено тем, что он очень сильный окислитель и может окислять соседние молекулы. Ведь для окисления молекулы воды его редокс- потенциал должен превышать +810 мВ.

56 Разделение зарядов и перенос электронов в реакционном центре фотосистемы II происходят примерно так же, как и в фотосистеме I. Методами лазерной спектроскопии показано, что после поглощения кванта света электрон за 3 пс с эффективностью % переносится от возбужденного хлорофилла Р 680* на первичный акцептор феофитин (ФФ) – пигмент порфиринового ряда, не содержащий координированного атома металла, - с образованием радикальной пары (Р ФФ). За следующие 150 пс электрон переносится на прочно связанный с белками пластохинон PQA (или просто QA), а от него – на слабо связанный пластохинон PQВ (или QВ), находящийся за пределами реакционного центра. Последний, получив два электрона и присоединив два протона из воды, превращается в полностью восстановленную форму PQ B H 2, которая после диффузии внутри мембраны переносит электроны на комплекс цитохромов b 6 f.

58 А. Пространственная организация реакционного центра фотосистемы II (по данным рентгеноструктурного анализа с разрешением 3.8) Стрелки показывают путь электронов от донора – ионов Mn в кластере Mn 4 водоокисляющей системы на вторичный хинон QB. Б. Схема первичного разделения зарядов в фотосистеме II, показывающая, что начальным донором электронов для феофитина (Phe) служит хлорофилл, связанный с D1, а образующаяся на «дырка» мигрирует на P680 (по Barber, 2003)

59 Комплекс цитохромов b6f Комплекс цитохромов b 6 f похож на митохондриальный комплекс цитохромов bc 1. Он участвует в переносе электрона от фотосистемы I (от ферредоксина) или от фотосистемы II (от пластохинона PQ B H 2) через пластоцианин на фотосистему I. Этот комплекс представляет собой димер из двух одинаковых мономеров. Он содержит два цитохрома b 6 с высоко- и низкопотенциальными гемами (обозначаемыми как b H и b L, соответственно), цитохром f с гемом f, еще один гем х с неизвестной функцией и β-каротин, функции которого также неизвестны. В его состав также входит железо-серный белок Риске с центром (Fe 2 -S 2).

60 Пластохинон PQ B, вероятно, осуществляет транспорт протонов через фотосинтетическую мембрану по механизму, похожему на Q-цикл в митохондриальном комплексе цитохромов bc 1. Во всяком случае, предполагается, что в области контакта каждого мономера с другим мономером есть центр связывания пластохинона, так что между ними может помещаться пара пластохинонов PQ и PQH 2, которые могут осуществлять Q-цикл. Но в отличие от митохондрий, где ионы водорода переносится из матрикса в межмембранное пространство, в хлоропластах протоны переносятся внутрь тилакоидов. Это приводит к созданию электрохимического градиента протонов, используемого Н + -ATP- синтазой (F 0 F 1) для производства ATP.

61 Совместная работа комплекса цитохромов b 6 f, NADP + -оксидоредуктазы и водоокисляющей системы создает 1000-кратный градиент концентрации протонов. В результате внутритилакоидный объем приобретает рН 5, тогда как рН стромы порядка 8. Это создает на тилакоидной мембране протондвижущую силу около 200 мВ (одна единица рН примерно равна 60 мВ), почти целиком обусловленную разностью концентраций Н +, а не мембранным потенциалом (мембрана тилакоида проницаема для ионов Mg 2+ и Cl -, и они нивелируют разность потенциалов). Эта протон-движущая сила используется Н + - ATP-синтетазой, такой же, как и в митохондриях, для синтеза ATP.

63 Перенос протонов комплексом цитохромов b 6 f в тилакоидах осуществляется по механизму Q-цикла, как в митохондриальном комплексе цитохромов bc 1. Один из электронов PQH 2 передается на низкопотенциальный гем b L, а другой – на Fe 2 -S 2 центр белка Риске и далее через цитохром f на пластоцианин. При этом из стромы поглощаются протоны, присоединяющиеся к пластохинону (Q + 2H + QH 2), которые затем выделяются внутрь тилакоида.

64 Водоокисляющая система Исходным источником электронов для электронно-транспортных систем фотосинтеза является вода. Она также поставляет ионы водорода для создания протонного градиента. Но для их получения необходимо расщепить молекулу воды: 2H 2 O 4 H e + O 2

65 Для расщепления двух молекул воды необходимо не менее четырех фотонов. Но фотосинтетический механизм может одновременно манипулировать только одним электроном. Для решения этой проблемы в фотосинтезирующих клетках есть специальная водоокисляющая (или водорасщепляющая) система, тесно, структурно и функционально, связанная с фотосистемой II. Она передает отнятый у воды электрон на Р 680 для компенсации потери электрона в процессе разделения зарядов. То есть, она является непосредственным донором электронов для Р 680. Молекулярная природа этого донора электронов (его обозначали как Z) долго оставалась неизвестной, но потом было обнаружено, что ее роль играет один из тирозинов полипептида D1 (YZ). Но, поскольку Р 680 может принимать только по одному е, а при расщеплении воды их должно выделиться четыре, то должен существовать каталитический центр, способный связывать две молекулы воды, накапливать отщепляющиеся электроны и направлять их по одному на Р 680.

66 Было высказано предположение, что водоокисляющая система работает как 4-тактный циклический механизм. И действительно, в опытах с освещением ФСII короткими вспышками относительный выход кислорода был максимален после 1-й и 5-й вспышек. Предполагается, что комплекс, производящий О 2, существует в пяти промежуточных состояниях окисления: S 0, S 1, S 2, S 3 и S 4, переход между которыми происходит при освещении последовательными вспышками света. Эта последовательность называется S-циклом.

68 Но какое вещество может накапливать 4 электрона, меняя свою валентность на 4 единицы? Им оказались ионы марганца. Марганец давно был обнаружен в составе ФСII и было известно, что если его меньше, чем 4 атома на одну молекулу Р 680, то выделение О 2 не происходит. Марганец может находиться в нескольких стабильных состояниях от Mn +2 до Mn +7. Для связанного с белком иона это обозначается как Mn(II), Mn(III) и т.д. Показано, что при переходе S 0 S 1 S 2 меняется степень окисления марганца: Mn(II) Mn(III) Mn(IV).

69 С помощью рентгеновской спектроскопии в фотосинтетической мембране обнаружены четырехмарганцевые кластеры и была изучена их структура. Они состоят из двух димеров, в которых атомы марганца соединены кислородными мостиками. Предполагается, что после удаления четырех электронов окисленный марганцевый кластер в состоянии S 4 оказывается способным окислить две молекулы воды. Это происходит на заключительном этапе цикла S 4 S 0.

75 На первой стадии цикла Кальвина осуществляется фиксация (усвоение) углерода из углекислого газа, т.е. присоединение молекулы СО 2 к пятиуглеродной молекуле рибулозо-1,5- бисфосфата с расщеплением его на две трехуглеродные молекулы 3-фосфоглицерата. Затем с участием NADPH и ATP происходит восстановление его до глицеральдегид-3- фоссфата, который используется для синтеза сахаров и крахмала, а также для производства АТР в гликолитическом процессе. И наконец, с участием АТР может происходить регенерация акцептора углерода – рибулозо-1,5- бисфосфата, замыкая таким образом цикл.

Z-схема фотосинтеза

У высших растений в фотосинтезе участвуют две фотосистемы I и II со своими реакционными центрами, в которые входят одна молекула Р 700 или две молекулы Р 680 , соответственно, и соответствующие цепи электронного транспорта (Рис.3.1 и 3.14). Реакционные центры фотосинтеза представляют собой большие пигмент-белковые комплексы, встроенные в фотосинтетические мембраны, с особой упаковкой пигментов и переносчиков электронов.

Фотосистема I

Фотосистема I переносит электроны на небольшой гидрофильный белок ферредоксин, содержащий (Fe-S)-центр. Это подвижный переносчик, способный мигрировать по поверхности мембраны, наподобие цитохрома с, и переносить электроны:

а) на NADP + -оксидоредуктазу - встроенный в мембрану белковый комплекс, восстанавливающий NADP:

NADP + + 2e - + H + ® NADPH.

Полученный NADPH используется в цикле Кальвина для синтеза глюкозы.

б) на пластохиноны, а затем через комплекс цитохромов b 6 f - назад на Р 700 . При этом комплекс цитохромов b 6 f создает градиент протонов, использующийся Н + -ATP-синтазой, встроенной в ту же мембрану, для синтеза ATP. Это циклическое фотофосфорилирование осуществляется потому, что для фиксации углерода и синтеза глюкозы необходимо намного больше молекул ATP, чем NADP + .

Поскольку часть электронов P 700 используется в биосинтетических процессах, то недостающие электроны поставляются фотосистемой II. Поток электронов от фотосистемы II через свою цепь электронного транспорта также попадает на комплекс цитохромов b 6 f, внося при этом вклад в генерацию протонного градиента на тилакоидной мембране, и далее через пластоцианин попадает на Р 700 (Рис3.14). За свою Z-подобную форму эта схема названа Z-схемой фотосинтеза.

Поскольку для образования одной молекулы О 2 необходим перенос четырех электронов от двух молекул H 2 O на два NADP + , а для переноса одного электрона от воды на NADP + необходимо поглощение двух фотонов (двумя фотосистемами), то суммарное уравнение процессов переноса электронов в фотосистемах I и II можно записать как:

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

При разрушении хлоропластов ультразвуком обнаружены частицы с константой седиментации 38 S, диаметром 30 нм, сохраняющие способность к фотосинтезу. На электронных микрофотографиях сколов мембраны, полученных методом замораживания-травления, видны крупные гранулы размером 10х15х18 нм и молекулярной массой порядка 2 МДа. Предполагается, что это компоненты фотосистемы II, расположенные на поверхности тилакоидной мембраны, обращенной во внутритилакоидное пространство. Более мелкие гранулы, лежащие, как предполагается, на обращенной в строму поверхности тилакоидной мембраны, пока не идентифицированы.

В кор-комплекс фотосистемы I входят большие белки RsaA и RsaB с молекулярной массой порядка 83 кДа, которые несут реакционные центры ФС I, а также около 90-100 молекул хлорофилла а и 12-16 молекул каротиноидов.

Первичный донор электронов в фотосистеме I пока не выделен в чистом виде, но хорошо охарактеризован с помощью спектральных методов. Его спектр поглощения света содержит 2 основные полосы при 700 и 430 нм. В хлоропластах растений соотношение P 700 и других хлорофиллов примерно равно 1:400. Считается, что реакционный центр Р 700 образован димером хлорофилла а. Вблизи P 700 в реакционном центре находятся первичный и вторичный акцепторы электронов А 0 и А 1 . В роли А 0 выступает молекула хлорофилла, а с полосой поглощения в области 693-695 нм, а вторичным акцептором электронов А 1 является филлохинон (витамин К 1). Напомним, что хиноны - внутримембранные гидрофобные молекулы.

Методами лазерной спектроскопии показано, что перенос электрона от Р 700 на А 0 происходит менее, чем за 10 пс. Затем за 20-50 пс (по разным данным) электрон переходит на А 1 . От него электрон за 200 пс (по другим данным, за 20-50 нс) он переходит на 4Fe-4S кластер (F X), расположенный внутри фотосинтетической мембраны. Затем, за следующие 170 нс - на димер из двух 4Fe-4S кластеров (F A и F B), расположенный на поверхности мембраны тилакоида, обращенной в строму, и, наконец, за 0,5-100 мкс - на ферредоксин (Fd). Эти компоненты ФС I удерживаются в фотосинтетической мембране с помощью комплекса белков PsaA, Psa B … PsaL. Нужно отметить, что железо-серные белки пока не удается выделить и охарактеризовать, т.к. они легко денатурируются при попытке выделения. Гидрофильный белок ферредоксин массой около 10,7 кДа содержит 2Fe-2S кластер. Он удерживается на стромальной поверхности тилакоидной мембраны благодаря электростатическому взаимодействию с белком PsaD (Рубин, 2000). Ферредоксин - основной переключатель, направляющий электроны либо на Fd: NADP + -оксидоредуктазу для синтеза NADPH, либо на комплекс цитохромов b 6 f, от которого через водорастворимый белок пластоцианин они по одному возвращаются на Р 700 . Перенос электронов на ферредоксин и от него на другие молекулы осуществляется за намного большее, микросекундное время из-за необходимой диффузии этого белка.

Механизм переноса электронов в фотосинтетических цепях электронного транспорта, как и в митохондриях, двоякий - туннелирование в пигмент-белковых надмолекулярных комплексах и перенос между комплексами пулом подвижных переносчиков.

Световая фаза фотосинтеза зависит от поступления в клетку светового излучения (фотонов). В природе фотосинтез стимулируется солнечным светом.

Содержащиеся в хлоропластах растительных клеток хлорофиллы и другие пигменты улавливают излучение определенных длин волн. Энергия фотонов переводит электроны пигментов на более высокий энергетический уровень. Вместо того, чтобы снова вернуться на прежний энергетический уровень с обратным излучение энергии, электроны захватываются акцепторами и переносятся по электрон-транспортной цепи, встроенной в мембрану тилакоидов хлоропластов.

По пути следования электронов их энергия частично теряется, а частично тратится на синтез АТФ и восстановление НАДФ . Таким образом солнечная энергия переводится в энергию химических связей, используемую потом в темновой фазе на синтез органических веществ . В этом смысле световую фазу фотосинтеза можно назвать подготовительной.

Электрон-транспортную цепь составляют пигменты, ферменты и коферменты. Одни локализованы в мембране почти неподвижно, другие перемещаются, выполняя роль переносчиков электронов и протонов.

Однако световые реакции фотосинтеза происходят не только на мембране тилакоидов. Также фотоны света запускают фотолиз воды . В результате фотолиза вода распадается на протоны водорода (H +), электроны (e -) и атомы кислорода (O). Последние, попарно объединяясь, выделяются из клетки в виде молекулярного кислорода (O 2).

Причина необходимости фотолиза становится ясна при более подробном рассмотрении реакций световой фазы, протекающих на тилакоидной мембране.

Здесь функционируют две фотосистемы. Это так называемые фотосистема I и фотосистема II . Каждая из них улавливает световую энергию, и от каждой отрываются возбужденные электроны, которые принимаются своими акцепторами. В фотосистемах образуются электронные дырки , т. е. недостаток электронов. Хлорофиллы реакционных центров фотосистем становятся положительно заряженными. Чтобы система снова могла работать, необходимо эти дырки устранять за счет притока электронов из вне.

В растениях световая фаза фотосинтеза организована таким образом, что фотосистема I заполняет дырки электронами, транспортирующимися от фотосистемы II. А та получает электроны, которые образуются при фотолизе воды .

Электроны, вышедшие из первой фотосистемы, пройдя по электрон-транспортной цепи, достигают НАДФ. Этот кофермент восстанавливается и заряжается отрицательно. После этого притягивает протоны водорода, превращаясь в НАДФ·H 2 . Таким образом, фотолиз воды необходим для получения протонов и электронов.

По пути следования электронов от второй фотосистемы к первой происходит синтез АТФ за счет накопленного электро-химического градиента - разницы зарядов по разные стороны мембраны.

Рассмотрим подробнее упрощенную схему световой фазы фотосинтеза :

Помимо энергии света для фотолиза воды нужен еще фермент, который отмечен на схеме как «водоокисляющий комплекс ». Он встроен в фотосистему. Образовавшиеся протоны остаются в люмене, а электроны уходят в фотосистему II (PSII). Поток электронов показан синей пунктирной стрелкой.

Надписи P680 и P700 в фотосистемах обозначают длины волн света, которые преимущественно поглощаются реакционными центрами PS. Сами фотосистемы имеют сложное строение. Кроме испускающего электроны реакционного центра , они включают также светособирающий комплекс .

Из PSII электроны передаются на кофермент пластохинон . Заряжаясь отрицательно, он присоединяет протоны из стромы. Поток протонов показан красной пунктирной стрелкой. Пластохинон транспортирует электроны и протоны до ферментативного комплекса цитохром-b 6 f . Последний окисляет пластохинон.

Цитохром-b 6 f перекачивает протоны в люмен, а электроны передает следующему коферменту-переносчику – пластоцианину .

В это время в люмене за счет протонов, перенесенных из стромы и образовавшихся в результате фотолиза воды, накапливается достаточный положительный заряд, чтобы «сработал» фермент АТФ-синтаза . Через его каналы протоны устремляются на внешнюю сторону тилакоидной мембраны. Эта энергия используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.

Пластоцианин транспортирует электроны в PSI, восстанавливая ее. Отсюда в результате действия света электроны передаются на ферредоксин . Под действием фермента ферредоксин-НАДФ-редуктазы он восстанавливает НАДФ. При этом также используются протоны, находящиеся в строме хлоропласта. Сюда они поступили в том числе и через каналы АТФ-синтазы.

Рассмотренные реакции световой фазы представляют собой нециклический транспорт электронов . Однако данный этап фотосинтеза может протекать и по циклическому пути . В этом случае ферродоксин восстанавливает не НАДФ, а пластохинон. Таким образом, PSI получает свои электроны обратно. В случае циклического транспорта электронов синтеза НАДФ·H2 не происходит, световая фаза дает только АТФ.

Нециклический (обычный) транспорт электронов называют также Z-схемой переноса электронов. Если изобразить поток электронов с учетом постепенного понижения их энергии, то получится схема, похожая на повернутую на 90° букву Z.

Еще в 1905 году англичанин Ф. Бекман, изучая фотосинтез при различной освещенности и температуре, выявил, что при слабом свете продуктивность фотосинтеза целиком зависит от освещения и растет вместе с ней, но до определенной границы. Рано или поздно свет прекращает свое действие. Было сделано предположение, что фотосинтез можно разделить на две фазы: реакции световые, не зависящие от температуры, и темновые, не зависящие от света, но зависящие от температуры. Первичное экспериментальное подтверждение наличия двух фаз фотосинтеза были получены в опытах со вспышками света.

В 1920 г. О. Варбург решил выяснить, что лучше для фотосинтеза – яркий свет или темнота, которая прерывается световыми вспышками. Вывод был следующий: темновая фаза во много раз длительней световой; во время вспышки света растение запасает энергию, которая необходима для каких-то темновых процессов, связанных с фиксацией СО 2 . Этот последний процесс идет медленно, и пока он не окончится, растению света не надо.

Мысль о наличии в хлоропластах двух фотосистем высказал Р. Эмерсон в 1957 г. Он выявил, что красный свет с длиной волны более 700 нм, становится очень эффективным, когда используется вместе с коротковолновым светом. Это явление, названное «эффектором усиления Эмерсона», было положено в основу гипотезы, согласно которой фотосинтез включает две разные световые реакции; оптимальные условия для фотосинтеза складываются в случае, когда эти две реакции идут одновременно. Эту гипотезу подтвердило непосредственное выделение из хлоропластов высших растений отдельных фотосистем (ФС I и ФС II).

Две пигментные фотосистемы – это две машины, движущие фотосинтез на световой стадии. Каждая состоит из реакционного центра и ансамбля молекул – светособирающих пигментов (пигмент-белковый комплекс – ПБК. Каждой фотосистеме соответствует свой отдельный набор пигментов, а также связанных с ними переносчиков электронов и в каждой фотосистеме происходят свои, только ей присущие фотосинтетические реакции.

В состав ФС I входят первая пигментная система с Р 700 , мономерная форма Хл а 695 , белки, содержащие железо и серу, 1–2 молекулы ферродоксина, по 1 молекуле цитохрома и пластицианина и 2 молекулы цитохрома b 6 ;

В состав ФС II – вторая пигментная система с Р 680 , 4 молекулы пластацианина, 2 молекулы цитохрома b 559 и 6 атомов марганца.

В ЭТЦ входит и пул пластахинонов – липидрастворимых переносчиков е – и Н + .

В состав светособирающих пигментов (светособирающие антены) входят: каротин, Хл а 662 , а 670 , а 677 , а 684 , а 692 (ФС I) и ФС II: а 622 , а 670 , а 677 . Кроме того, имеется еще светособирающий белковый комплекс (ССК) (рис.2.9).

Считают, что при низкой интенсивности света собственные антенны ФС I и ФС II поглощают мало квантов света и поэтому не могут поддерживать необходимой скорости фотосинтезирующих реакций, и нужен дополнительный приток энергии, который обеспечит ССК.

Наоборот, при высоких интенсивностях света пигментным системам не нужно столько энергии и поэтому они содержат значительно меньше ССК.

В состав ССК входят ксантофиллы, хлорофилл b , некоторое количество хлорофилла а . ССК передает поглощенную энергию на ПБК и затем на реакционный центр (рис. 2.10).

Получив эту энергию, специальная форма хлорофилла в реакционном центре переходит в возбужденное состояние (Хл *). Хл * обладает очень высокой реакционной способностью и является сильным восстановителем.

В окислительно-восстановительной системе А/А – происходит восстановление А до А – . От А – электрон переходит дальше и через другие компоненты электрон-транспортной цепи в конечном счете переносятся на НАДФ + . Хлорофилл, который отдал электрон, переходит в состояние свободного катиона – радикала Х + . Он возвращается в основное первичное состояние, получив электрон восстановленной формы Д – – второй окислительно-восстановительной системы Д/Д – . Окисленный Д восстанавливается до Д – , получая электрон от воды (рис. 2.11).

Догадку о том, что кислород должен выделяться из воды высказал в 1931 г. К. Ван-Нил (Голландия). В 1937 г. англичанин Р. Хилл показал, что изолированные хлоропласты выделяют на свету кислород в условиях наличия акцептора электронов (феррицианид, бензохинон и др.) Реакцию Р. Хилла в общем в виде записывают так:

Вообще, реакция разложения воды происходит в три стадии (этапа). В данном случае акцептором является хинон. Таким образом, процессы выделения О 2 и восстановления СО 2 независимы один от другого.

В 1941 г. одновременно две группы ученых А. П. Виноградов и Р. В. Тейс в СССР и С. Рубен и М. Д. Камен в США, доказали, что весь кислород, который выделяют при фотосинтезе, является кислородом воды, а не СО 2 , как считали раньше.

ФС (II) и ФС (I) размещаются последовательно в цепи транспорта электронов от Н 2 О до НАДФ + . Для восстановления одной молекулы НАДФ + в процессе фотосинтеза необходимо два электрона и два протона, при этом донором электронов является вода. Фотоиндуцированное окисление воды происходит в ФС II, восстановление НАДФ + – ФС I. Таким образом, фотосистемы должны функционировать во взаимодействии.

Исходя из данных квантового выхода фотосинтеза (количество выделенного О 2 или связанного СО 2 на 1 квант поглощенной энергии), необходимо восемь квантов света для выделения одной молекулы О 2 ; из состава компонентов ФС I и ФС II и величины окислительно-восстановительного потенциала была разработана схема последовательности реакций в световой стадии фотосинтеза. Из-за подобия с буквой Z эта схема получила название Z-схемы (рис. 2.12).

Впервые принцип Z-схемы был предложен Р. Хиллом и Пендалом (1960 г.) и экспериментально подтвержден работами Днейзенса (1961 г.).

ФС I – единственная, имеющаяся у бактерий, работает без участия кислорода; эта ФС, вероятно, имела преимущества на ранних этапах биологической эволюции, когда кислорода в земной атмосфере было мало. С развитием ФС II растения получили возможность выделять молекулярный кислород из воды. Вероятно, это обстоятельство и определило изменения свойств земной атмосферы: из анаэробной она стала аэробной.

Таким образом, фотохимическую работу у высших растений, выполняемую при фотосинтезе, в конечном счете, можно свести до разложения воды.

Однако сначала физическая энергия уловленных фотонов должна быть видоизменена и переведена в «химическую» энергию. Мы отметили, что энергия мигрирует до реакционных центров. В результате отдельные электроны получают достаточное количество энергии для того, чтобы они могли перейти от молекул хлорофилла Р 700 или Р 680 до молекул-переносчиков электронов. Переносчик поглощает определенную часть этой энергии активации и передает электрон следующему переносчику, где этот процесс повторяется. В хлоропластах разные переносчики электронов расположены на мембране или внутри мембран и образуют ряд, в пределах которого они располагаются в соответствии со способностью присоединять электроны (другими словами, с их окислительно-восстановительным потенциалом). Таким образом, электрон переходит от одного переносчика к другому, наподобие с тем, как движется по каскаду вода – с одного уступа на другой.

Поясним суть основных составляющих элементов, входящих в ФС I и ФС II.

Реакционный центр ФС II (рис. 2.13)включает кислород выделяющий комплекс, хлорофилл Р 680 , первичный акцептор электронов феофитин (Фео) – производное Хл, в котором Mg замещен протонами, и вторичные акцепторы – молекулы мо

нохинона (Q н и Q в), а также пластохинон (Q).

Ядро реакционного центра ФС II составляют два мембранных белка (D 1 и D 2) с молекулярной массой (ММ) 32 и 34 кД. Оба белка имеют по пять трансмембранных петель и служат основой для связывания большинства простетических групп, выполняющих функции переносчиков электронов. Другие белки (43 и 47 кД) ФС II входят в состав комплекса светособирающих пигментов или участвуют в выделении кислорода при фотоокислении воды (33, 23, 16 кД). Функции остальных белков с небольшой ММ, например цитохрома b 559 и других, пока неизвестны.

В кислородвыделяющий комплекс входит Mn-содержащий пул и как кофакторы кальций и хлор. Посредником между кислородвыделяющим центром и хлорофиллом Р 680 является остаток аминокислоты тирозина (Y z) белка D 1 (см. рис. 2.13).

Реакционный центр ФС I включает первичный донор электронов Хл Р 700 , первичный акцептор – Хл а (А 0), промежуточный акцептор – филлохинон (А 1), вторичные акцепторы – железосерные белки (F X , F A , F B), водорастворимы железосерный белок ферредоксин (Ф Д), растворимый флавопротеин – ферредоксин-НАДФ-редуктазу (Ф П).

ФС I представляет собой интегральный пигментбелковый комплекс с ММ около 340 кД.

Комплекс цитохром b 6 /f состоит из цитохрома b 6 , цитохрома f , железосерного белка Риске и субъединицы IV. Цитохром b 6 и субъединица IV являются наиболее гидрофобными элементами комплекса. Простетическая группа цитохрома f представлена гемом с -типа, а аналогичная группа цитохрома b 6 состоит из двух гемов b -типа, ковалентно связанных с остатками гистидина. Один гем называют высокопотенциальным (Н), второй низкопотенциальный (L).

В передаче электронов от ФС II, а именно от комплекса b 6 /f к ФС I участвует пластоцианин (водорастворимый белок, содержащий два атома меди.

Сущность реакций, которые происходят на свету, была выяснена Д. Арноном (США) в 1954–1958 гг. Он показал, что на свету в изолированных хлоропластах идет образование АТФ за счет присоединения минерального фосфора (Ф) к АДФ.

Во время перемещения электрона по такой цепи переносчиков часть его энергии преобразуется в химическую форму, поскольку за счет ее из АДФ и неорганического фосфора синтезируется АТФ и запасается значительное количество энергии – 8–10 ккал/моль.

Дальнейшие исследования показали, что синтез АТФ сопряжен с транспортом электронов – циклическим или нециклическим.

Циклический транспорт электронов. В первой пигментной системе – пигментом-ловушкой является Р 700 , а остальные – сборщики (антенный комплекс). При поглощении кванта света один из электронов Р 700 переходит на более высокий энергетический уровень и присоединяется к Хл а 695 (А 0) и филлохинону (А 1), а затем белкам, содержащим железо и серу (FeS). Окислительно-восстановительный потенциал Р 700 в основном состоянии + 0,43 В; таким образом, тенденция к потере электронов у него выявлена слабо. Когда в результате поглощения кванта света молекула Р 700 переходит в возбужденное состояние, ее окислительно-восстановительный потенциал падает до –0,6 В и поэтому она легко отдает электрон (рис. 2.14).

От белка, содержащего железо и серу, электрон передается переносчику, который называется ферредоксином. От ферредоксина электрон вновь возвращается к Р 700 через ряд промежуточных переносчиков, среди которых цитохромы b 6 и f , а также пластоцианин. В то время, когда электрон транспортируется по этому циклическому пути, его энергия используется для присоединения Ф н к АДФ с образованием АТФ.

Нециклический транспорт электронов. Когда устьица листа открыты, а хлоропласты поглощают свет разных длин волн, одновременно с ФС I включается ФС II. Совместно они составляют систему нециклического транспорта электронов.

Как ранее отмечалось, под действием света Р 700 переходит в возбужденное состояние (Р 700 *) и окисляется (Р 700 +), электроны переносятся на акцепторы А 0 (хлорофилл а ) и А 1 (филлохинон). Далее на мембрансвязанные железосерные белки (F X , F A , F B), через которые электроны поступают на ферредоксин. Но в этом случае от последнего через флавопротеин – ферредоксин-НАДФ-редуктазу – электроны идут на восстановление НАДФ + до НАДФН (см. рис. 2.12).

В этом случае от ферредоксина электрон через разные флавопротеиды переходит на НАДФ + . Когда два электрона присоединяются к НАДФ + из водной среды, которая окружает тилакоидные мембраны, к нему присоединяются протоны воды и образуется НАДФН, который используется в последующих реакциях для восстановления СО 2 до уровня углевода.

Таким образом, Р 700 окислен, в нем образовалась электронная «дырка». Он не может долго оставаться в этом состоянии. Откуда он получает электрон?

При поглощении кванта света Р 680 тоже переходит в возбужденное состояние и отдает электрон первичному акцептору феофитину. При этом хлорофилл Р 680 переходит в окисленную форму, а феофитин восстанавливается (Фео –). Затем электрон передается на два хинона Q A и Q B (менохиноны). После этого электроны поступают на липидрастворимый пул пластохинонов (Q), который функционирует как «двухэлектронные ворота». Один из электронов поступает в цикл цитохромов b 6 (цит b/f ), а второй направляется по линейной цепи в ФС I. Потом электроны переносятся на водорастворимый белок пластоционин (Пц) и в ловушку Р 700 (см. рис. 2.12).

Но теперь «дырка» появилась на Р 680 . Эта «дырка» заполняется присоединением электрона от воды. Электрон от молекулы воды образуется под воздействием света (фотоокисление или фотолиз). В результате молекула воды разрушается, образуя протоны и кислород:

Ингибитором этой реакции является диурон (дихлорфенилдиметилмочевина). Растения, обработанные диуроном, гибнут, так как при этом блокируется транспорт электронов от воды, не образуется АТФ и не восстанавливается НАДФ + , а следовательно, невозможно восстановление СО 2 .

Образованные при фотоокислении воды протоны остаются в водной среде тилакоидов хлоропластов, которая включает не только молекулы воды, но также и Н + - и ОН – -ионы. Накопление протонов на внутренней стороне мембраны тилакоидов играет определенную роль в образовании АТФ, о чем разговор пойдет дальше. Этот путь транспорта электронов получил название нециклического.

Нециклический транспорт электронов также связан с синтезом АТФ. Процесс фосфорилирования АДФ с образованием АТФ, связанный с нециклическим транспортом электронов, получил название нециклического фотосинтетического фосфорилирования (см. рис. 2.12).

Во время световой фазы происходит перенос электронов от воды (Е = +0,81 В) на НАДФ + (Е = – 0,32 В). Перенос электронов от вещества с более положительным потенциалом к веществу с более отрицательным требует затраты энергии. Используется энергия поглощенного пигментом света. Для транспорта каждого электрона требуется два кванта. Этот перенос электронов против градиента окислительно-восстановительного потенциала и является фотохимической работой.

Следовательно, сущность световой реакции фотосинтеза – вызванный светом последовательный транспорт электронов от одной молекулы к другой, в результате чего образуются АТФ и НАДФН (рис. 2.15).

Так как молекула, которая теряет электрон, окисляется, а которая получает – восстанавливается, то это окислительно-восстановительный процесс. Для транспорта электронов от одного переносчика ко второму, как и для передачи энергии между молекулами пигментов, необходима тщательная упаковка молекул и строгая упорядоченность в их размещении, поэтому световая стадия фотосинтеза связана с тилакоидными мембранами хлоропластов. Кроме этого, с помощью мембран происходит разобщение процессов образования кислорода и мощного восстановителя, в противном случае, они могли бы взаимодействовать.

Основные различия этих двух видов фосфорилирования даны в следующей таблице (табл. 2.4).

Следовательно, в циклическом транспорте электронов участвует только ФС I, в нециклическом – две. ФС I расположена в тилакоидах стромы, а ФС II – только в тилакоидах гран.

Таблица 2.4

Сравнение циклического и нециклического фотофосфорилирования

Электроны, которые поступают от ферредоксина, могут также переноситься и восстанавливать кислород с образованием Н 2 О 2 и в конечном счете Н 2 О. В этом случае функционируют ФС I и ФС II, и поглощаются с использованием восстановленного ферредоксина в особой реакции равные количества кислорода; такой поток электронов получил название псевдоциклического. Хотя при этом потоке электронов отсутствует суммарное изменение состояния кислорода, этот процесс нельзя назвать циклическим, поскольку не происходит циклического переноса электронов по указанному пути.

Синтез АТФ. Энергия, выделяемая при движении электронов от Р 680 (Е = –0,8) до Р 700 (Е = +0,4 В), используется для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата (фотофосфорилирование).

Существуют несколько теорий, разъясняющих механизм фосфорилирования АДФ, сопряженный с работой электрон-транспортной цепи. Наибольшее признание в настоящее время получила хемиосматическая теория английского биохимика П. Митчелла (1961), которая для объяснения процессов фотосинтетического фосфорилирования впервые была использована А. Ягендорфом (1967).

Опыты А. Ягендорфа состояли в следующем (рис. 2.16) . Изолированные из хлоропластов граны с рН 8 помещали в буферный раствор с рН 4. После выдерживании в этом растворе в гранах восстанавливалась величина рН, равная 4. Затем граны с рН 4 переносились в буферный раствор с рН 8. Таким образом, на тилакоидных мембранах искусственно создавался градиент протонов, который обычно формируется при фотохимических процессах (внутри тилакоида – рН 4, снаружи – рН 8). В этих условиях после добавления в среду АДФ и Ф н в темноте синтезировалось АТФ.

Эти эксперименты позволили применить хемиосмотическую теорию Митчелла для объяснения процессов происходящих при фотофосфорилировании в хлоропластах.

В соответствии с этой теорией пластохинон, присоединивший два электрона, присоединяет еще 2Н + протона со стороны стромы хлоропласта и переносит их через мембрану во внутритилакоидное пространство. Протоны накапливаются внутри тилакоида и в результате фотоокисления воды.

Благодаря неравномерному распределению протонов по обеим сторонам мембраны создается разность химических потенциалов ионов водорода и возникает электрохимический мембранный потенциал ионов Н +

включает две составляющие: концентрационную, возникающую в результате неравномерного размещения ионов Н + по обеим сторонам мембраны, и электрическую (ΔΨ), которая обусловлена мембранным потенциалом (рис. 2.16).

Энергия ΔрН и ΔΨ используется для обратного транспорта протонов из внутритилакоидного пространства в строму хлоропласта по особым каналам. С обратным транспортом протонов и связано фосфорилирование АДФ. Реакцию катализирует Н + -АТФ-синтетаза, состоящая из двух частей: водорастворимой каталитической части, расположенной в строме хлоропласта, и мембранной части. Последняя представляет собой протонный канал, по которому протоны могут возвращаться в строму хлоропласта. Фермент Н + -АТФ-синтетаза может синтезировать АТФ пока двигаются протоны. Протоны двигаются, когда их концентрация во внутритилакоидном пространстве большая.

На каждые два электрона, переданных по электрон-транспортной цепи, внутри тилакоида накапливается 4Н + . На каждые 3Н + , возвращающихся назад в строму хлоропласта, синтезируется 1 молекула АТФ.

Таким образом, конечными продуктами световых реакций фотосинтеза является НАДФН и АТФ. Эти соединения используются затем соответственно как восстановительная сила и как источник для превращения СО 2 в сахар. Этапы, из которых складываются эти превращения, известны под общим названием «темновых реакций» фотосинтеза.

Механизм фотосинтеза.

Фотосинтез – сложный окислительно-восстановительный процесс, состоящий из множества ферментативных реакций, в результате которого углекислота восстанавливается, а вода окисляется. То есть углекислота является акцептором электронов, а вода – их донором. Фотосинтез осуществляется посредством чередования двух фаз:

1.Световая фаза, протекающая на свету без участия углекислого газа, не зависящая от температуры.

2.Темновая фаза, протекающая в темноте с участием углекислоты, зависящая от температуры.

Она состоит из следующих последовательных стадий:

1.Процесс поглощения энергии солнечных лучей пластидными пигментами и образования возбужденных молекул хлорофилла А.

2.Окисление (фотолиз) воды и выделœение кислорода за счет энергии возбужденных молекул хлорофилла.

3.Синтез АТФ в процессе фотосинтетического фосфорилирования и образования восстановленного НАДхН2.

Когда молекула хлорофилла поглощает свет, то возбужденный электрон передает свою энергию хлорофиллу А, который в процессе фотосинтеза преобразует ее в энергию химических связей органического вещества. В хлоропластах хлорофилл и другие пигменты погружены в мембраны тилакоидов и собраны там в функциональные единицы, называемые фотоситемами, каждая из которых содержит 250-400 молекул пигментов. Все пигменты фотосистемы могут поглощать фотоны, но только одна молекула хлорофилла данной фотосистемы может использовать поглощенную энергию в фотохимических реакциях. Она принято называть реакционным центром фотосистемы, а всœе остальные называются антенными, так как способны собирать свет как антенны. Есть два типа фотосистем – фотосистема 1 (Ф1) с оптимумом поглощения 700 нм (Р700) и фотосистема 2 (Ф2) с оптимумом поглощения 680 нм (Р680). Οʜᴎ работают синхронно, но Ф1может работать самостоятельно.

Z-cхема фотосинтеза(модель световых реакций).

1.Энергия света входит в Ф2, где поглощается реакционным центром Р680, который при этом возбуждается. И его возбужденные энергизированные электроны переносятся на молекулу акцептора Q. Молекула Р680, потерявшая свои электроны, может заменить их электронами воды, которая диссоциирует на протоны и кислород. Это светозависимое окислительное расщепление воды под действием света и ферментов тилакоидов принято называть фотолизом воды.

2.Далее электроны спускаются по электронно-транспортной цепи (ЭТЦ) к Ф1. В состав ЭТЦ входят цитохромы, белки, содержащие желœезо и серу, хиноны, белок пластоцианин, содержащий медь. Результатом этой реакции является преобразование молекулы АДФ в АТФ за счет присоединœения фосфата и образования макроэргической связи – реакция фосфорилирования .

3.В Ф1 энергия света передает электроны от Р700на электронный акцептор Р430, который является желœезосодержащим белком. Следующий электронный переносчик – ферредоксин (желœезосœерный белок) передает свои электроны на кофермент НАД, который восстанавливается до НАДхН2, при этом окисляется молекула Р700. Этот однонаправленный поток электронов от воды к НАД принято называть нециклическим потоком электронов, а образование АТФ при этом называют нециклическим фосфорилированием .

Z-схема световой стадии фотосинтеза

Общий энергетический выход нециклического потока электронов составляет 12АТФ, 12НАДхН2, выделяется 1 молекула О2. Суммарное уравнение световой фазы фотосинтеза:

12Н2О + 12НАД + 12АДФ + 12Н3РО4 --- 12НАДхН2 + 12АТФ + 02

Циклическое фосфорилирование .

Ф1 может работать независимо от Ф2. Этот процесс принято называть циклическим потоком электронов или циклическим фосфорилированием . При этом электроны передаются от Р700на Р430при освещении Ф1. Затем электроны идут не к НАД, а по запасному пути, связанному с Ф1 на акцептор Q и возвращаются в реакционный центр Ф1. При этом образуется молекула АТФ из АДФ. Так как здесь имеет место циклический поток электронов, то процесс принято называть циклическим фосфорилированием. При этом не происходит разложения воды, выделœения кислорода, образования НАДхН2. Это более примитивный путь, он характерен для фотосинтезирующих бактерий и некоторых эукариотов.

Циклическое фосфорилирование