Procese fotochimice în sistemele biologice. Faza ușoară a fotosintezei Faze și procese ale fotosintezei

2 Energia solară este sursa primară a tuturor energiei biologice. Celulele fotosintetice folosesc energie lumina soarelui pentru formarea glucozei și a altor produse organice. Aceste produse organice servesc ca sursă de energie și carbon pentru celulele heterotrofe.

3 caracteristici generale fotosinteza Fotosinteza este un sistem complex în mai multe etape de procese fotofizice, fotochimice și biochimice întunecate în care energia luminii solare este transformată de către organismele fotosintetice (bacterii și plante) în forme de energie disponibile acestora: chimică (NADPH, ATP) sau electrochimică (H) . Folosind această energie, celula, folosind sistemul fotosintetic, sintetizează din simplu substanțe anorganice dioxid de carbonși apă glucoză și alte substanțe organice complexe. Produsul acestor reacții este și oxigenul molecular eliberat din moleculele de apă.

4 Fotosinteza este unul dintre cele mai importante mecanisme ale vieții pe Pământ, deoarece, datorită acestuia, se formează atât substanțe organice complexe, foarte ordonate, cât și oxigen, care sunt consumate de alte organisme (bacterii, plante și animale) ca surse de material de construcție și energie. Principala reacție totală a fotosintezei: 6CO 2 + 6H 2 O + hν C 6 H 12 O 6 + 6O kcal / mol

5 Esența fotosintezei este obținerea de electroni de înaltă energie datorită energiei cuantelor de lumină absorbite de clorofilă. Pentru a preveni revenirea electronului la starea inițială și risipa de energie primită pentru procesele termice, electronul excitat este transferat foarte rapid de-a lungul lanțului de transport de electroni la NADP+, care este apoi folosit în reacții de biosinteză. Sursa inițială de electroni este apa, care apoi se divide și eliberează oxigen. Acest oxigen, care este un produs secundar al fotosintezei, este respirat de toate organismele aerobe.

7 1) Complexe de captare a luminii CCKI și CCKII aparținând fotosistemelor I și II. Conțin pigmenți care absorb cuante de lumină cu lungimi de undă diferite. Energia absorbita de acestea migreaza de la pigment la pigment, disipand usor la fiecare pas, pana ajunge in centrul de reactie cu un nivel minim de energie. Acolo, provoacă excitarea pigmenților fotosintetici - molecule de clorofilă P 700 sau P 680 într-unul dintre cele două fotosisteme - PS I sau, respectiv, PS II.

8 2) Molecula excitată de clorofilă P 700, care face parte din fotosistemul I (PS I), este capabilă să ionizeze: P e Electronul smuls din acesta este transferat de-a lungul lanțului de transport de electroni către NADP +, restabilindu-l: NADP + + e + H + NADPH. NADPH este utilizat în continuare în ciclul Calvin pentru a sintetiza glucoza. Locul vacant format după plecarea unui electron este ocupat fie de propriul său electron care se întoarce de-a lungul CET ca urmare a transferului ciclic, fie de un electron care vine de la PS II.

9 3) În fotosistemul II, din cauza energiei de excitație, un electron este desprins din molecula de clorofilă P 680: P e și transferat de-a lungul lanțului de transport de electroni la clorofila P 700, umplând locul liber format acolo.

10 4) Un loc liber format pe clorofilă este umplut cu un electron, care este separat dintr-o moleculă de apă folosind așa-numitul sistem de separare a apei, care face parte din fotosistemul II. Pe lângă un electron, desparte protonii dintr-o moleculă de apă: 2H 2 O 4 H e + O 2 În același timp, ionii de hidrogen H +, care sunt implicați în crearea unui gradient de protoni, sunt de asemenea separați din apă, iar oxigenul molecular este de asemenea eliberat, care este un produs secundar al acestui proces.

11 5) Transferul electronilor de-a lungul ETC duce la transferul simultan al protonilor H + prin membranele tilacoidelor cloroplastelor în stromă de către un complex de citocromi b 6 f, asemănător complexului mitocondrial bc 1. Procesele de proton eliberarea în timpul divizării apei și transferul lor prin membrană creează un gradient electrochimic de protoni, care servește drept sursă de energie pentru sinteza ATP.

14 Cloroplaste Fotosinteza se realizează în cloroplaste – organele celule vegetale. De obicei, au o formă biconvexă ca niște farfurioare pliate împreună cu un diametru de 3-10 microni și o grosime de 1,5-3 microni. Într-o celulă vegetală, există de la 1 la 1000 de cloroplaste.

15 O secțiune transversală a unei celule de frunze de mazăre (Pisum sativum) a trecut prin două cloroplaste. Cloroplasta este delimitată de citoplasmă de două membrane - exterioară și interioară. Membrana exterioară este netedă, cea interioară formează excrescențe - lamele. Tilacoizii sunt stivuiți pe lamele. Imaginea arată clar stive de tilacoizi - grana. Moleculele de clorofilă sunt concentrate în tilacoizii granului dintre straturile de proteine ​​și lipide. Este capabil să capteze energia luminii solare, cu ajutorul căreia se formează carbohidrați din apă și dioxid de carbon. Acumulările de carbohidrați sunt vizibile în imagine ca pete întunecate. Microscop cu transmisie, x

18 Cloroplastele vegetale sunt similare cu mitocondriile prin aceea că folosesc, de asemenea, lanțul de transport de electroni și principiul chemiosmotic pentru a converti energia. Ele au, de asemenea, o înveliș cu membrană dublă care cuprinde o membrană exterioară foarte permeabilă și o membrană interioară cu permeabilitate scăzută, cu proteine ​​purtătoare încorporate. Regiunea interioară, analogă cu matricea mitocondrială, se numește stromă. Dar cloroplastele nu au criste, ci au un sistem special de membrane interne - tilacoizi - care formează al treilea compartiment intern.

19 Tilacoizii sunt saci membranosi plate cu un diametru de aproximativ 0,5 µm. Sunt ambalate în stive - cereale. În interiorul lor se află spațiul tilacoid. Granele separate sunt interconectate prin lamele - straturi mai extinse. Membranele tilacoide conțin, pe lângă lipide și proteine, pigmenți fotoreceptivi - diverse modificări ale clorofilei și o serie de alți pigmenți care formează o antenă de captare a luminii. Acestea conțin două fotosisteme, PS I și PS II, care realizează fotosinteza și H-ATP sintetaza (F 0 F 1), care sintetizează ATP, ca în mitocondrii.

20 Ultrastructura tilacoizilor. A. Tilacoid grana. B. Suprafața tilacoidului, evidențiată prin metoda prin congelare-gravare. Sunt vizibile zone cu granule mari (B), reprezentând suprafața intratilacoidiană a membranei tilacoidale, iar zonele cu granule mici (C), reprezentând suprafața membranei tilacoidale îndreptată spre stromă. Granulele mari sunt probabil componente ale fotosistemului II; natura granulelor mici nu a fost încă stabilită.

21 Stroma conține propriul său ADN de cloroplaste, un aparat de sinteză a proteinelor, enzime ale ciclului Calvin și alte procese metabolice, zaharuri, lipide, acizi organici și alți compuși. La fel ca în mitocondrie, ADN-ul cloroplastului codifică doar o parte din proteinele necesare, în timp ce alte proteine ​​sau subunitățile lor sunt codificate în nucleul celulei. Se presupune că cloroplastele, precum mitocondriile, au apărut în stadiile incipiente ale evoluției plantelor ca urmare a unei simbioze a celulelor vegetale și a unor celule procariote.

22 Pigmenți fotosintetici Principalul pigment al fotosintezei este clorofila a (Chl a). Constă dintr-un cap de porfirină cu dimensiunea de aproximativ 1,5x1,5 nm, care are proprietăți hidrofile, și o coadă hidrofobă lungă - fitol - de aproximativ 2,0 nm lungime. În centrul inelului porfirinic al clorofilelor, există un ion Mg 2+ legat prin legături de coordonare cu atomii de azot. Alte forme de clorofilă - b, c, d, precum și bacterioclorofilă - diferă în substituenții laterali și distribuția legăturilor duble în inelul porfirinei.

23

26 Spectrele de absorbție ale clorofilelor au două benzi intense: banda Soret caracteristică porfirinelor în partea albastră sau aproape ultravioletă a spectrului și banda de absorbție a luminii „roșii” în regiunea nm (în bacterioclorofile este deplasată în infraroșu apropiat nm). regiune). Absorbția luminii în regiunea roșie a spectrului este asigurată de interacțiunea ionului de magneziu cu sistemul de electroni p conjugați al inelului porfirinic. (Pentru comparație, hemul care conține în inelul porfirinic nu Mg 2+, ci Fe 2+ absoarbe lumina nu în roșu, ci în partea verde-galbenă a spectrului).

27 În celulă, „benzile roșii” de absorbție a clorofilei sunt deplasate către regiunea cu lungimi de undă lungi în comparație cu spectrele obținute în solvenți organici, ceea ce indică un rol semnificativ al interacțiunilor pigment-pigment, pigment-proteină și pigment-lipid datorită la împachetarea densă a moleculelor de clorofilă în membrana fotosintetică.

28 Metodele de spectrofotometrie diferențială și la temperatură joasă au evidențiat până la 10 modificări ale clorofilei a, care diferă în spectre de absorbție și fluorescență (adică, în aranjarea nivelurilor de energie), în extractabilitate din membrană (adică, în hidrofilitate/hidrofobicitate), etc. Ele sunt numite „forme native” ale clorofilei a. Astfel, au fost izolate P 670 (absorbând lumina nm), P 680, P 700 etc. Principalul factor care determină proprietățile acestor forme native sunt interacțiunile pigment-pigment, adică. formarea de dimeri și agregate mai mari. În agregatele pigmentare datorită interacțiunii p -sisteme electronice are loc o „păturare” a norului de electroni peste două sau mai multe inele de porfirină. În consecință, nivelul de energie superior scade și capacitatea de a absorbi lumina roșie cu lungime de undă mai lungă crește.

30 Pe lângă clorofilă, celulele fotosintetice mai conțin și alți pigmenți: feofitine, carotenoide, ficoeritrine, ficobiline etc. Toate conțin lanțuri lungi de legături conjugate, în care norul de electroni π este „untat” pe toată lungimea, care duce, de asemenea, la o scădere a nivelurilor de energie excitată și permite absorbția cuantelor de lumină vizibilă. Carotenoizii au o lungime a lanțului de aproximativ 40 de atomi de carbon. Ele absorb lumina în regiunea nm și sunt de culoare galbenă sau portocalie. Ficobilinele absorb lumina în regiunea nm. Toate completează spectrul de absorbție al clorofilei, absorbind nu numai lumina roșie, ci și lumina din alte părți ale spectrului, permițând plantelor să capteze eficient radiația solară.

31 Complexe de recoltare a luminii Pentru a crește eficiența utilizării luminii, fotonii sunt captați nu numai de moleculele de clorofilă din centrele de reacție, ci și de pigmenții auxiliari care transferă energia excitației electronice către centrul de reacție. Într-adevăr, secțiunea transversală de absorbție a unei molecule de clorofilă este cm 2, prin urmare, la intensitatea cuantumului luminii solare în timpul zilei / (cm 2 sec), intensitatea absorbției cuantelor de către o moleculă nu este mai mare de 1-10 quante pe secundă. Dar durata ciclului de utilizare a energiei unui foton de la absorbția acestuia până la eliberarea unei molecule de O 2 este de aproximativ 0,01-0,02 sec. Prin urmare, cel mai timpul dintre absorbția cuantelor individuale, clorofila trebuie să „inactiveze”. Prin urmare, combinația de zeci de molecule de pigment care furnizează energie unui centru de reacție crește eficiența fotosintezei.

33 Pe lângă intervalele de timp de umplere, eficiența colectării luminii este mărită prin „umplerea spectrală”, adică. absorbția cuantelor în regiunea albastru-verde-galben, în care clorofilele practic nu absorb lumina. Acest rol este jucat de o varietate de pigmenți - clorofilele, carotenoidele, ficoeritrinele, ficobilinele etc., care au benzi de absorbție a luminii în această regiune spectrală. Zeci de molecule de pigment care captează lumina înconjoară fotosistemele I și II. Energia fotonilor absorbiți este transformată în energia excitației electronice a moleculelor de pigment. Se transferă de la moleculă la moleculă cu o oarecare disipare și, după mai multe plimbări aleatorii, ajunge la centrele de reacție ale fotosistemelor I și II - P 680 sau P 700, care sunt „capcane energetice”, deoarece procesul de migrare a energiei este întrerupt în lor. Energia nu este transferată în continuare, ci este folosită pentru a genera electroni de înaltă energie și fotosinteza în sine.

34 Anterior, când nu s-a stabilit o organizare spațială definită a moleculelor de pigment, s-a presupus aranjarea aleatorie a acestora în membrana fotosintetică și a fost folosit termenul destul de bun „antenă de recoltare a luminii”. Însă în ultimele decenii, când s-a cunoscut faptul că moleculele de pigment sunt asociate cu proteinele care organizează aranjamentul lor, a început să fie folosit termenul de „complexe pigment-proteine ​​de recoltare a luminii” (LSPBC sau pur și simplu LSC). În literatura internațională, abrevierea LHC (Light Harvesting Complexes) este folosită pentru a le desemna.

35 De obicei, SSPBC-urile înconjoară miezul funcțional, complexul central central, în care se află centrele de reacție ale PS I sau PS II. Trimerii proteinelor Lhcb1/Lhcb2 sunt localizați la periferia PS I și PS II, în timp ce partea centrală, de bază, este înconjurată de proteine ​​antene monomerice. În PSII, acestea sunt proteinele Lhca1, Lhca2, Lhca3 și Lhca4, iar în PS II, proteinele Lhcb3, Lhcb4, Lhcb5 și Lhcb6 (sau CP 25, CP29, CP26 și CP24).

36 Fiecare monomer trimmer Lhc din fotosistemul PSII este o proteină cu trei elice α lungi de 4,3; 5,1 și 3,2 nm. Aceste proteine ​​leagă 7 molecule de clorofilă a, 5 molecule de clorofilă b și 2 molecule de luteină. Inelele porfirine ale clorofilelor sunt dispuse în două straturi perpendicular pe planul membranei tilacoide în apropierea planurilor sale exterior și interior.

37 Schema structurii PS I (a) și PS II (b). (a) arată aranjamentul complecșilor proteici trimerici (Lhcb1/Lhcb2) și monomerici de recoltare a luminii (Lhca1, Lhca2, Lhca3 și Lhca4). Complexul central din centru conține aproximativ 90 de molecule de clorofilă a. (b) arată pozițiile aproximative ale complexelor proteice de recoltare a luminii trimerice (Lhcb1/Lhcb2) și monomerice (Lhcb3, Lhcb4, Lhcb5 și Lhcb6). Centrul prezintă un dimer din două complexe de bază, fiecare dintre ele constând din proteinele centrului de reacție D1/D2 și citocromul b559, înconjurate de proteinele antenei CP43 și CP47 care conțin molecule de clorofilă a (conform S. Jansson, 1994).

38 Structura spațială a unuia dintre monomerii din complexul trimeric Lhc. Cele trei elice α conțin 7 molecule de clorofilă a (în centru, mai deschisă), 5 de clorofilă b (la periferie, mai închisă la culoare) și 2 de luteină (neagră) (conform Nelson și Cox, 2005).

40 Mecanisme de migrare a energiei Cel mai important mecanism de migrare a energiei de excitație electronică într-o membrană fotosintetică este mecanismul de rezonanță inductivă Förster. Se desfășoară cu participarea nivelurilor excitate singlet (S 1) sub rezerva reguli obligatorii: 1) donatorul trebuie să facă fluorescență; 2) acceptorul trebuie să aibă o bandă de absorbție corespunzătoare benzii de emisie a donatorului; 3) distanța dintre ele nu trebuie să depășească 4-6 nm.

41 Transferul de energie are loc datorită faptului că în timpul existenței stării excitate a donorului (c) electronul excitat oscilant generează un câmp electromagnetic alternant. Dacă frecvența sa coincide cu una dintre frecvențele de rezonanță ale moleculei acceptoare excitate, atunci are loc un transfer de energie rezonantă neradiativă: oscilațiile electronice sunt excitate în acceptor, iar molecula donoră revine neradiativ la starea sa inițială. Distanțele tipice ale transferului de energie inductiv-rezonantă sunt de 2-5 nm, iar timpul caracteristic este de sec. În acest fel, se poate realiza migrarea energiei între diferite complexe pigment-proteină.

43 În cadrul unui singur complex local de captare a luminii adiacent PSII sau PSII, unde moleculele de pigment sunt dens împachetate într-o structură cvasi-cristalină, nivelurile lor electronice pot fi socializate în zone. În acest caz, este posibil un mecanism de exciton al migrării energiei, în care absorbția unui cuantum de lumină duce la apariția unui exciton - o excitație colectivă delocalizată pe întregul sistem de molecule. Excitația moleculei donor se propagă prin nivelurile vibraționale superioare către întregul sistem de acceptori într-un timp sec, care este mai mic decât timpul de relaxare al stărilor vibraționale. Acesta este cel mai mult drumul rapid migrarea energiei. La sfârșitul acestui interval de timp, energia excitonului poate duce la excitarea unei anumite molecule acceptoare, care este situată la o distanță de până la 1-1,5 nm de donor.

44 Mecanismele specifice de transfer de energie în FSPBC depind de structura lor și de densitatea de împachetare a pigmenților. Transferul energiei de excitație între moleculele de pigment vecine are loc în 0,2-5 ps, iar între diferite complexe pigment-proteină care sunt mai îndepărtate, este mai lent. Astfel, metodele de spectroscopie laser au relevat timpi caracteristici de transfer de energie de ordinul 0,15-0,3 ps, 2-6 ps și ps. Ele pot corespunde migrării de energie între moleculele de clorofilă adiacente pe o distanță de aproximativ 1 nm, între grupurile individuale de pigment și între monomerii dintr-un trimer. În primele două cazuri, mecanismul excitonului de migrare a energiei este posibil, iar în al treilea, transferul inductiv-rezonant este mai probabil. Timpul dintre absorbția unui foton de către pigmenții antenei și captarea energiei de către centrul de reacție al fotosistemului I este estimat la ps, în timp ce cel al fotosistemului II este de aproximativ 300 ps.

45 Deci, într-o antenă de captare a luminii, energia absorbită de formele de pigmenți cu lungime de undă scurtă migrează către cele cu lungime de undă mai mare. Pe parcurs, o parte din energie se disipă, dar partea principală de la capăt „curge” pe pigmenții P 680 sau P 700 ai centrelor de reacție, unde au loc separarea sarcinii și procesele fotochimice ulterioare din cauza acesteia.

46 Schema Z a fotosintezei Y plante superioare fotosinteza implică două fotosisteme I și II cu centrele lor de reacție, care includ o moleculă P 700 sau, respectiv, două molecule P 680 și lanțurile de transport de electroni corespunzătoare. Centrele de reacție ale fotosintezei sunt complexe mari pigment-proteine ​​înglobate în membrane fotosintetice, cu ambalare specială de pigmenți și purtători de electroni.

47 Fotosistemul I Fotosistemul I transferă electroni către mica proteină hidrofilă ferredoxină care conține centrul (Fe-S). Acesta este un purtător mobil capabil să migreze pe suprafața membranei, precum citocromul c, și să transfere electroni: a) la NADP + oxidoreductază - un complex proteic construit în membrană care reduce NADP: NADP + + 2e + H + NADPH. NADPH rezultat este utilizat în ciclul Calvin pentru a sintetiza glucoza.

48 b) la plastochinone, iar apoi prin complexul citocrom b 6 f înapoi la P 700. În acest caz, complexul citocrom b 6 f creează un gradient de protoni care este utilizat de H + - ATP sintaza construită în aceeași membrană pentru ATP sinteză. Această fotofosforilare ciclică are loc deoarece sunt necesare mult mai multe molecule de ATP pentru fixarea carbonului și sinteza glucozei decât pentru NADP+.

49 Deoarece unii dintre electronii P 700 sunt utilizați în procesele de biosinteză, electronii lipsă sunt furnizați de fotosistemul II. Fluxul de electroni din fotosistemul II prin lanțul său de transport de electroni intră, de asemenea, în complexul citocrom b 6 f, contribuind astfel la generarea unui gradient de protoni pe membrana tilacoidă, iar apoi prin plastocianina intră în P 700. Pentru forma sa asemănătoare Z, această schemă poartă numele de schemă Z a fotosintezei.

50 Deoarece formarea unei molecule de O 2 necesită transferul a patru electroni de la două molecule de H 2 O la două NADP +, iar transferul unui electron din apă în NADP + necesită absorbția a doi fotoni (de către două fotosisteme), Ecuația totală pentru procesele de transfer de electroni din fotosistemele I și II poate fi scrisă ca: 2H 2 O + 2NADP + + 8 fotoni O 2 + 2NADPH + 2H +

52 Complexul central al fotosistemului I include proteine ​​mari RsaA și RsaB cu greutate moleculară aproximativ 83 kDa, care poartă centrii de reacție PS I, precum și lângă moleculele de clorofilă a și moleculele de carotenoide. Donorul primar de electroni din fotosistemul I nu a fost încă izolat în forma sa pură, dar a fost bine caracterizat folosind metode spectrale. Spectrul său de absorbție a luminii conține 2 benzi principale la 700 și 430 nm. În cloroplastele vegetale, raportul dintre P 700 și alte clorofile este de aproximativ 1:400. Se crede că centrul de reacție P 700 este format din dimerul clorofilei a. Lângă P 700 în centrul de reacție se află acceptorii de electroni primari și secundari A 0 și A 1. Rolul lui A 0 este jucat de molecula de clorofilă a cu bandă de absorbție în regiunea nm, iar acceptorul secundar de electroni A 1 este filochinona (vitamina K 1). Amintiți-vă că chinonele sunt molecule hidrofobe intramembranare.

54 Fotosistemul II Fotosistemul II este mai complex decât fotosistemul I, deoarece include un sistem de oxidare a apei care furnizează electroni centrului de reacție. Complexul de bază PSII este un dimer de două subunități, care includ două proteine ​​aproape identice D1 și D2, care sunt baza structurală pentru organizarea centrelor de reacție, citocromul b 559, precum și proteinele antenei CP43 și CP47. Compoziția centrului de reacție al fotosistemului II, pe lângă 6 molecule de clorofilă a, include două molecule de feofitină, două molecule de β-caroten și o moleculă de citocrom b 559. Acestea sunt reținute și localizate în membrana fotosintetică de către un pereche de proteine ​​integrale aproape identice D 1 și D 2 și câteva proteine ​​mai mici.

55 În fotosistemul II, clorofila a, P 680, servește ca donor primar de electroni.Se presupune că rolul centrului de reacție P 680 în PSII este jucat de dimerul de clorofilă. Dar proprietățile spectrale indică faptul că P 680 poate conține încă șase molecule de clorofilă situate la o anumită distanță. Studiul lui P 680 este dificil deoarece este un agent oxidant foarte puternic și poate oxida moleculele învecinate. Într-adevăr, pentru oxidarea unei molecule de apă, potențialul ei redox trebuie să depășească +810 mV.

56 Separarea sarcinilor și transferul electronilor în centrul de reacție al fotosistemului II au loc aproximativ în același mod ca și în fotosistemul I. Metodele de spectroscopie cu laser au arătat că, după absorbția unei cuante de lumină, un electron este transferat din clorofila excitată P 680. * la acceptorul primar feofitina în 3 ps cu o eficiență de % (FF) este un pigment din seria porfirinei, care nu conține un atom de metal coordonat, - cu formarea unei perechi de radicali (R FF). În următorii 150 ps, ​​electronul este transferat la plastochinona PQA (sau pur și simplu QA), care este puternic legată de proteine, și de la acesta la plastochinona PQB (sau QB), situată în afara centrului de reacție. Acesta din urmă, după ce a primit doi electroni și adăugând doi protoni din apă, se transformă într-o formă complet redusă PQ B H 2, care, după difuzia în interiorul membranei, transferă electroni în complexul de citocromi b 6 f.

58 A. Organizarea spațială a centrului de reacție al fotosistemului II (conform analizei de difracție cu raze X cu o rezoluție de 3,8) Săgețile arată calea electronilor de la donor, ionii Mn în clusterul Mn 4 al sistemului de oxidare a apei , la chinona secundară QB. B. Schema separării sarcinii primare în fotosistemul II, care arată că donorul inițial de electroni pentru feofitină (Phe) este clorofila asociată cu D1, iar „gaura” rezultată migrează la P680 (după Barber, 2003)

59 Complexul citocromilor b6f Complexul citocromilor b 6 f este similar complexului mitocondrial al citocromilor bc 1. Este implicat în transferul unui electron din fotosistemul I (din ferredoxină) sau din fotosistemul II (din plastochinonă PQ B H 2) prin plastocianina la fotosistemul I. Acest complex este dimer a doi monomeri identici. Conține doi citocrom b 6 cu hemi cu potențial ridicat și scăzut (notat ca b H și, respectiv, b L), citocrom f cu hem f, un alt hem x cu o funcție necunoscută și β-caroten, ale cărui funcții sunt, de asemenea, necunoscute. De asemenea, include proteina fier-sulf Riske cu un centru (Fe 2 -S 2).

60 Plastochinona PQ B transportă probabil protoni prin membrana fotosintetică printr-un mecanism similar cu ciclul Q din complexul mitocondrial al citocromilor bc 1. În orice caz, se presupune că există un loc de legare a plastochinonei în zona de contact. a fiecărui monomer cu un alt monomer, astfel încât între ele să se poată plasa o pereche de plastochinone PQ și PQH 2, care pot realiza ciclul Q. Dar spre deosebire de mitocondrii, unde ionii de hidrogen sunt transferați din matrice în spațiul intermembranar, în cloroplaste, protonii sunt transferați în interiorul tilacoizilor. Aceasta are ca rezultat crearea unui gradient de protoni electrochimic utilizat de H+-ATP-sintaza (F0F1) pentru a produce ATP.

61 Lucrarea comună a complexului de citocromi b 6 f, NADP + -oxidoreductază și sistemul de oxidare a apei creează un gradient de concentrație de protoni de 1000 de ori. Ca rezultat, volumul intratilacoid capătă un pH de 5, în timp ce pH-ul stromei este de aproximativ 8. Aceasta creează o forță motrice a protonilor de aproximativ 200 mV pe membrana tilacoidiană (o unitate de pH este aproximativ egală cu 60 mV), aproape în întregime datorită diferenței de concentrații de H +, și nu potențialului de membrană (membrană tilacoidă permeabilă la ionii Mg 2+ și Cl - și nivelează diferența de potențial). Această forță motrice a protonilor este folosită de H + - ATP sintetaza, la fel ca în mitocondrii, pentru a sintetiza ATP.

63 Transferul de protoni de către complexul de citocromi b 6 f în tilacoizi are loc conform mecanismului ciclului Q, ca și în complexul mitocondrial al citocromilor bc 1. Unul dintre electronii PQH 2 este transferat hemului cu potențial scăzut b L. , iar celălalt la Fe 2 -S mai departe prin citocromul f la plastocianină. În același timp, protonii sunt absorbiți din stromă, atașându-se la plastochinonă (Q + 2H + QH 2), care sunt apoi eliberați în tilacoid.

64 Sistemul de oxidare a apei Sursa inițială de electroni pentru sistemele de transport de electroni ale fotosintezei este apa. De asemenea, furnizează ioni de hidrogen pentru a crea gradientul de protoni. Dar pentru a le obține, este necesară scindarea moleculei de apă: 2H 2 O 4 H e + O 2

65 Este nevoie de cel puțin patru fotoni pentru a diviza două molecule de apă. Dar mașina fotosintetică poate manipula doar un electron la un moment dat. Pentru a rezolva această problemă, celulele fotosintetice au un sistem special de oxidare a apei (sau de divizare a apei) strâns, structural și funcțional, asociat cu fotosistemul II. Transferă electronul preluat din apă în P 680 pentru a compensa pierderea unui electron în procesul de separare a sarcinii. Adică este un donor direct de electroni pentru P 680. Natura moleculară a acestui donor de electroni (a fost desemnat ca Z) a rămas necunoscută mult timp, dar apoi s-a descoperit că una dintre tirozinele polipeptidei D1 (YZ). ) își joacă rolul. Dar, deoarece P 680 poate accepta doar câte un e fiecare, iar patru dintre ei ar trebui eliberați în timpul divizării apei, atunci trebuie să existe un centru catalitic capabil să lege două molecule de apă, să acumuleze electronii despărțiți și să îi direcționeze unul la un loc. timp până la P 680.

66 S-a sugerat că sistemul de oxidare a apei funcționează ca un mecanism ciclic în 4 timpi. Într-adevăr, în experimentele cu iluminarea PSII cu clipiri scurte, randamentul relativ de oxigen a fost maxim după prima și a cincea clipire. Se presupune că complexul care produce O 2 există în cinci stări intermediare de oxidare: S 0, S 1, S 2, S 3 și S 4, tranziția între care are loc atunci când este iluminat de fulgerări succesive de lumină. Această secvență se numește ciclu S.

68 Dar ce substanță poate acumula 4 electroni, schimbându-și valența cu 4 unități? S-au dovedit a fi ioni de mangan. Manganul a fost descoperit cu mult timp în urmă în compoziția PSII și se știa că dacă acesta are mai puțin de 4 atomi pe moleculă de P 680, atunci O 2 nu este eliberat. Manganul poate fi în mai multe stări stabile de la Mn +2 la Mn +7. Pentru un ion legat de proteină, acesta este denumit Mn(II), Mn(III) etc. Se arată că tranziţia S 0 S 1 S 2 modifică starea de oxidare a manganului: Mn(II) Mn(III) Mn(IV).

69 Utilizând spectroscopie cu raze X, într-o membrană fotosintetică au fost găsite grupuri de patru mangan și a fost studiată structura lor. Ele constau din doi dimeri în care atomii de mangan sunt legați prin punți de oxigen. Se presupune că, după îndepărtarea a patru electroni, grupul de mangan oxidat în starea S 4 este capabil să oxideze două molecule de apă. Acest lucru se întâmplă în etapa finală a ciclului S 4 S 0.

75 În prima etapă a ciclului Calvin, carbonul este fixat (asimilat) din dioxidul de carbon, i.e. atașarea unei molecule de CO 2 la o moleculă cu cinci atomi de carbon de ribuloză-1,5-bisfosfat cu divizarea acesteia în două molecule de trei atomi de carbon de 3-fosfoglicerat. Apoi, cu participarea NADPH și ATP, este redus la gliceraldehidă-3-fosfat, care este utilizat pentru sinteza zaharurilor și amidonului, precum și pentru producerea de ATP în procesul glicolitic. Și, în cele din urmă, cu participarea ATP, poate avea loc regenerarea acceptorului de carbon, ribuloză-1,5-bisfosfat, închizând astfel ciclul.

Schema Z a fotosintezei

La plantele superioare, fotosinteza implică două fotosisteme I și II cu centrele lor de reacție, care includ o moleculă P 700 sau, respectiv, două molecule P 680 și lanțurile de transport de electroni corespunzătoare (Fig. 3.1 și 3.14). Centrele de reacție de fotosinteză sunt complexe mari pigment-proteine ​​încorporate în membranele fotosintetice, cu ambalare specială de pigmenți și purtători de electroni.

Fotosistemul I

Fotosistemul I transferă electroni la o mică proteină hidrofilă, ferredoxină, care conține un centru (Fe-S). Este un purtător mobil capabil să migreze pe suprafața membranei, cum ar fi citocromul c, și să transporte electroni:

a) pe NADP + -oxidoreductază - un complex proteic construit în membrană care restabilește NADP:

NADP + + 2e - + H + ® NADPH.

NADPH rezultat este utilizat în ciclul Calvin pentru a sintetiza glucoza.

b) la plastochinone, iar apoi prin complexul de citocromi b 6 f - înapoi la P 700. În acest caz, complexul de citocromi b 6f creează un gradient de protoni, care este utilizat de H + -ATP sintaza, construită în aceeași membrană, pentru sinteza ATP. Această fotofosforilare ciclică are loc deoarece sunt necesare mult mai multe molecule de ATP pentru fixarea carbonului și sinteza glucozei decât pentru NADP+.

Deoarece unii dintre electronii P 700 sunt utilizați în procesele de biosinteză, electronii lipsă sunt furnizați de fotosistemul II. Fluxul de electroni din fotosistemul II prin lanțul său de transport de electroni intră și în complexul citocrom b 6 f, contribuind la generarea unui gradient de protoni pe membrana tilacoidă, iar apoi prin plastocianina intră în P 700 (Fig. 3.14). Pentru forma sa asemănătoare Z, acest circuit este numit circuitul Z al fotosintezei.

Deoarece formarea unei molecule de O 2 necesită transferul a patru electroni de la două molecule de H 2 O la două NADP +, iar transferul unui electron din apă în NADP + necesită absorbția a doi fotoni (de către două fotosisteme), totalul ecuația pentru procesele de transfer de electroni în fotosistemele I și II poate fi scrisă ca:

2H2O + 2 NADP + + 8 fotoni > O2 + 2 NADPH +2 H + .

În timpul distrugerii cloroplastelor prin ultrasunete, au fost găsite particule cu o constantă de sedimentare de 38 S, 30 nm în diametru, păstrând capacitatea de fotosinteză. Micrografiile electronice ale clivajelor membranei obținute prin metoda de gravare prin congelare arată granule mari de 10x15x18 nm și cu o greutate moleculară de aproximativ 2 MDa. Se presupune că acestea sunt componente ale fotosistemului II situate pe suprafața membranei tilacoidale în fața spațiului intratilacoid. Granulele mai mici, care se presupune că se află pe suprafața cu care se confruntă stroma a membranei tilacoide, nu au fost încă identificate.

Complexul central al fotosistemului I include proteine ​​mari RsaA și RsaB cu o masă moleculară de aproximativ 83 kDa, care poartă centrii de reacție PS I, precum și aproximativ 90-100 molecule de clorofilă a și 12-16 molecule de carotenoide.

Donorul primar de electroni din fotosistemul I nu a fost încă izolat în forma sa pură, dar a fost bine caracterizat folosind metode spectrale. Spectrul său de absorbție a luminii conține 2 benzi principale la 700 și 430 nm. În cloroplastele vegetale, raportul dintre P 700 și alte clorofile este de aproximativ 1:400. Se crede că centrul de reacție P 700 este format din dimerul clorofilei a. Lângă P 700 în centrul de reacție sunt acceptorii de electroni primari și secundari A 0 și A 1 . Rolul lui A 0 este jucat de o moleculă de clorofilă, și cu o bandă de absorbție în regiunea 693-695 nm, iar acceptorul secundar de electroni A 1 este filochinona (vitamina K 1). Amintiți-vă că chinonele sunt molecule hidrofobe intramembranare.

Metodele de spectroscopie cu laser au arătat că transferul de electroni de la P 700 la A 0 are loc în mai puțin de 10 ps. Apoi, în 20–50 ps (după diverse surse), electronul trece la A 1 . Din acesta, un electron în 200 ps (după alte surse, în 20-50 ns) trece în clusterul 4Fe-4S (F X) situat în interiorul membranei fotosintetice. Apoi, în următorii 170 ns - pe un dimer de două clustere 4Fe-4S (FA și F B), situate pe suprafața membranei tilacoidale cu fața spre stromă și, în final, în 0,5-100 μs - pe ferredoxină (Fd) . Aceste componente ale PS I sunt reținute în membrana fotosintetică de un complex de proteine ​​PsaA, Psa B ... PsaL. De remarcat că proteinele fier-sulf nu au fost încă izolate și caracterizate, deoarece sunt ușor denaturate atunci când încearcă să se izoleze. Proteina hidrofilă ferredoxina care cântărește aproximativ 10,7 kDa conține un cluster 2Fe-2S. Este reținut pe suprafața stromală a membranei tilacoide datorită interacțiunii electrostatice cu proteina PsaD (Rubin, 2000). Ferredoxina este comutatorul principal care direcționează electronii fie către Fd: NADP + -oxidoreductază pentru sinteza NADPH, fie către complexul citocrom b 6 f, din care se întorc unul câte unul la P 700 prin proteina solubilă în apă plastocianina. Transferul de electroni la și de la ferredoxină la alte molecule durează mult mai mult, microsecunde, datorită difuziei necesare a acestei proteine.

Mecanismul transferului de electroni în lanțurile fotosintetice de transport de electroni, ca și în mitocondrii, este dublu - tunelarea în complexele supramoleculare pigment-proteină și transferul între complexe de către un grup de purtători mobili.

Faza luminoasă a fotosintezei depinde de intrarea radiației luminoase (fotoni) în celulă. În natură, fotosinteza este stimulată de lumina soarelui.

Clorofilele și alți pigmenți conținuti în cloroplastele celulelor vegetale captează radiația anumitor lungimi de undă. Energia fotonului transferă electronii pigmenților la un nivel de energie mai înalt. În loc să se întoarcă din nou la nivelul de energie anterior cu emisia inversă de energie, electronii sunt capturați de acceptori și transportați de-a lungul lanțului de transport de electroni încorporat în membrana tilacoidelor cloroplastice.

Pe calea electronilor, energia lor este parțial pierdută și parțial cheltuită pentru sinteza ATP și reducerea NADP. Prin urmare energia solară este transformată în energie legături chimice, folosit apoi în faza întunecată pentru sinteza substanțelor organice. În acest sens, faza ușoară a fotosintezei poate fi numită pregătitoare.

Lanțul de transport de electroni este alcătuit din pigmenți, enzime și coenzime. Unele sunt localizate în membrană aproape imobile, altele se mișcă, acționând ca purtători de electroni și protoni.

Cu toate acestea, reacțiile luminoase ale fotosintezei apar nu numai pe membrana tilacoidă. De asemenea, fotonii lansării luminii fotoliza apei. Ca rezultat al fotolizei, apa se descompune în protoni de hidrogen (H +), electroni (e -) și atomi de oxigen (O). Acestea din urmă, combinându-se în perechi, sunt eliberate din celulă sub formă de oxigen molecular (O 2).

Motivul necesității fotolizei devine clar cu o analiză mai detaliată a reacțiilor fazei luminoase care apar pe membrana tilacoidă.

Aici funcționează două fotosisteme. Acestea sunt așa-numitele fotosistemul IȘi fotosistemul II. Fiecare dintre ele captează energia luminoasă, iar electronii excitați se desprind fiecare, care sunt acceptați de acceptorii lor. În fotosisteme se formează găuri de electroni, adică lipsa de electroni. Clorofilele centrelor de reacție ale fotosistemelor devin încărcate pozitiv. Pentru ca sistemul să funcționeze din nou, este necesar să se elimine aceste găuri din cauza afluxului de electroni din exterior.

La plante, faza ușoară a fotosintezei este organizată în așa fel încât fotosistemul I umple golurile cu electroni transportați din fotosistemul II. Și ea primește electroni, care se formează în timpul fotolizei apei.

Electronii care părăsesc primul fotosistem, trecând prin lanțul de transport de electroni, ajung în NADP. Această coenzimă este redusă și încărcată negativ. După aceea, atrage protoni de hidrogen, transformându-se în NADP H 2 . Astfel, fotoliza apei este necesară pentru a produce protoni și electroni.

De-a lungul drumului electronilor de la al doilea fotosistem la primul, ATP este sintetizat datorită gradient electro-chimic este diferența de sarcină pe părțile opuse ale membranei.

Să aruncăm o privire mai atentă diagramă simplificată a fazei luminoase a fotosintezei:

Pe lângă energia luminoasă, fotoliza apei necesită și o enzimă, care este marcată pe diagramă ca „ complex de oxidare a apei". Este încorporat în fotosistem. Protonii rezultați rămân în lumen, în timp ce electronii merg la fotosistemul II (PSII). Fluxul de electroni este indicat de săgeata cu puncte albastre.

Etichetele P680 și P700 în fotosisteme denotă lungimile de undă ale luminii care sunt absorbite predominant de centrele de reacție PS. Fotosistemele în sine au structura complexa. Pe lângă emiterea de electroni centru de reacție, includ și complex de recoltare usoara.

Din PSII, electronii sunt transferați la coenzimă plastochinona. Fiind încărcat negativ, atașează protoni din stromă. Fluxul de protoni este indicat de săgeata punctată roșie. Plastochinona transportă electroni și protoni către enzimatic complexul citocrom b 6 f. Acesta din urmă oxidează plastochinona.

Citocromul-b 6f pompează protoni în lumen și transferă electroni la următoarea coenzimă purtătoare - plastocianina.

În acest moment, datorită protonilor transferați din stromă și formați ca urmare a fotolizei apei, în lumen se acumulează o sarcină pozitivă suficientă pentru ca enzima să „funcționeze” ATP sintetaza. Prin canalele sale, protonii se îndreaptă spre partea exterioară a membranei tilacoide. Această energie este utilizată de ATP sintetaza pentru a sintetiza ATP din ADP și acid fosforic.

Plastocianina transportă electroni la PSI, reducându-i. De aici, ca urmare a acțiunii luminii, electronii sunt transferați către ferredoxină. Sub acțiunea unei enzime ferredoxină-NADP-reductază restabilește NADP. În acest caz, se folosesc și protonii localizați în stroma cloroplastei. Au ajuns aici, inclusiv prin canalele ATP sintetazei.

Reacțiile considerate ale fazei luminoase sunt transportul neciclic de electroni . Cu toate acestea, această etapă a fotosintezei poate continua cale circulară. În acest caz, ferodoxina nu reduce NADP, ci plastochinona. Deci, PSI își primește electronii înapoi. În cazul transportului ciclic de electroni, sinteza NADP H2 nu are loc, faza ușoară produce doar ATP.

Transportul non-ciclic (obișnuit) de electroni se mai numește și schema Z de transfer de electroni. Dacă înfățișați fluxul de electroni, ținând cont de scăderea treptată a energiei lor, atunci obțineți o diagramă similară cu litera Z rotită cu 90 °.

În 1905, englezul F. Beckman, studiind fotosinteza în condiții de iluminare și temperatură diferite, a dezvăluit că la lumină slabă productivitatea fotosintezei depinde în întregime de iluminare și crește odată cu aceasta, dar până la o anumită limită. Mai devreme sau mai târziu lumina nu mai funcționează. S-a sugerat că fotosinteza poate fi împărțită în două faze: reacții luminoase, care nu depind de temperatură, și reacții întunecate, care nu depind de lumină, ci depind de temperatură. Primar confirmare experimentală prezența a două faze de fotosinteză s-a obținut în experimente cu fulgere de lumină.

În 1920, O. Warburg a decis să afle ce este mai bun pentru fotosinteză - lumină puternică sau întuneric, care este întreruptă de fulgerări de lumină. Concluzia a fost următoarea: faza întunecată este de multe ori mai lungă decât faza luminoasă; în timpul unui fulger de lumină, planta stochează energie, care este necesară pentru unele procese întunecate asociate cu fixarea CO 2 . Acest ultim proces este lent, iar până la sfârșit, planta nu are nevoie de lumină.

Ideea prezenței a două fotosisteme în cloroplaste a fost propusă de R. Emerson în 1957. El a descoperit că lumina roșie cu o lungime de undă de peste 700 nm devine foarte eficientă atunci când este utilizată împreună cu lumina cu lungime de undă scurtă. Acest fenomen, numit „efector de amplificare Emerson”, a stat la baza ipotezei că fotosinteza implică două reacții luminoase diferite; Condițiile optime pentru fotosinteză se formează atunci când aceste două reacții au loc simultan. Această ipoteză a fost confirmată prin izolarea directă a fotosistemelor individuale (PS I și PS II) din cloroplastele plantelor superioare.

Cele două fotosisteme pigmentare sunt cele două mașini care conduc fotosinteza în stadiul de lumină. Fiecare constă dintr-un centru de reacție și un ansamblu de molecule - pigmenți de captare a luminii (complex pigment-proteină - PBC. Fiecare fotosistem are propriul său set separat de pigmenți, precum și purtători de electroni asociați cu ei, iar fiecare fotosistem are propriul său inerent reacții fotosintetice.

PS I conține primul sistem de pigment cu P 700 , forma monomerică a Chl un 695, proteine ​​care conțin fier și sulf, 1-2 molecule de ferodoxină, 1 moleculă de citocrom și plasticyanin și 2 molecule de citocrom b 6 ;

PS II conține al doilea sistem de pigment cu P 680, 4 molecule de plastacianină, 2 molecule de citocrom b 559și 6 atomi de mangan.

ETC include, de asemenea, un grup de plastachinone, purtători e- și H+ solubili în lipide.

Compoziția pigmenților de recoltare a luminii (antene de recoltare a luminii) include: caroten, Chl un 662,un 670,un 677,un 684,un 692(FS I) și PS II: un 622, un 670, un 677. În plus, există și un complex proteic de recoltare a luminii (LSC) (Fig. 2.9).

Se crede că la intensitatea luminoasă scăzută, antenele proprii PS I și PS II absorb puțini fotoni de lumină și, prin urmare, nu pot menține rata necesară de reacții fotosintetice și este necesar un aflux suplimentar de energie, care va furniza SSC.

În schimb, la intensități luminoase ridicate, sistemele de pigmenți nu necesită atât de multă energie și, prin urmare, conțin semnificativ mai puțin SSC.

Compoziția SSC include xantofile, clorofilă b, niște clorofilă A. SSC transferă energia absorbită către PBC și apoi către centrul de reacție (Fig. 2.10).

După ce a primit această energie, o formă specială de clorofilă din centrul de reacție trece într-o stare excitată (Chl*). Chl* are o reactivitate foarte mare și este un agent reducător puternic.

În sistemul A/A - redox, A este redus la A -. Din A - electronul trece și prin alte componente ale lanțului de transport de electroni este transferat în cele din urmă către NADP +. Clorofila, care a donat un electron, trece în starea de cation liber - radicalul X +. Revine la starea primară principală, după ce a primit un electron de forma redusă D - - a celui de-al doilea sistem redox D / D - . D oxidat se reduce la D -, primind un electron din apă (Fig. 2.11).

Conjectura că oxigenul ar trebui eliberat din apă a fost exprimată în 1931 de K. Van Neil (Olanda). În 1937, englezul R. Hill a arătat că cloroplastele izolate eliberează oxigen în lumină în prezența unui acceptor de electroni (fericianură, benzochinonă etc.) Reacția lui R. Hill se scrie în general astfel:

În general, reacția de descompunere a apei are loc în trei etape (etape). În acest caz, acceptorul este chinona. Astfel, procesele de eliberare a O 2 și de reducere a CO 2 sunt independente unele de altele.

În 1941, în același timp, două grupuri de oameni de știință A.P. Vinogradov și R.V. Theis din URSS și S. Ruben și M.D. Kamen din SUA au demonstrat că tot oxigenul care este eliberat în timpul fotosintezei este oxigenul apei, și nu CO 2 așa cum se credea anterior.

PS (II) şi PS (I) sunt plasate secvenţial în lanţul de transport de electroni de la H2O la NADP+. Doi electroni și doi protoni sunt necesari pentru a restabili o moleculă NADP+ în timpul fotosintezei, apa fiind donatorul de electroni. Oxidarea fotoindusă a apei are loc în PS II, reducerea NADP+ are loc în PS I. Astfel, fotosistemele trebuie să funcționeze în interacțiune.

Pe baza datelor privind randamentul cuantic al fotosintezei (cantitatea de O 2 eliberat sau CO 2 legat per 1 cuantă de energie absorbită), sunt necesare opt cuante de lumină pentru a elibera o moleculă de O 2; din compoziția componentelor PS I și PS II și valoarea potențialului redox a fost elaborată o schemă pentru succesiunea reacțiilor în stadiul de lumină al fotosintezei. Din cauza asemănării cu litera Z, acest circuit este numit circuit Z (Fig. 2.12).

Principiul schemei Z a fost propus pentru prima dată de R. Hill și Pendal (1960) și confirmat experimental de lucrările lui Dneizens (1961).

PS I este singurul prezent în bacterii care funcționează fără participarea oxigenului; acest FS a avut probabil avantaje în stadiile incipiente evolutie biologica când în atmosfera pământului era puțin oxigen. Odată cu dezvoltarea PS II, plantele au fost capabile să elibereze oxigen molecular din apă. Probabil, această împrejurare a determinat schimbările în proprietățile atmosferei pământului: din anaerobă a devenit aerobă.

Astfel, munca fotochimică în plantele superioare, efectuată în timpul fotosintezei, poate fi redusă în cele din urmă la descompunerea apei.

Cu toate acestea, mai întâi energia fizică a fotonilor capturați trebuie modificată și convertită în energie „chimică”. Am observat că energia migrează către centrele de reacție. Ca rezultat, electronii individuali primesc suficientă energie pentru a putea trece de la moleculele de clorofilă P 700 sau P 680 la moleculele purtătoare de electroni. Purtatorul absoarbe o anumită parte această energie de activare și trece electronul către următorul purtător, unde acest proces se repetă. În cloroplaste, diferiți purtători de electroni sunt localizați pe membrană sau în interiorul membranelor și formează un rând în care sunt localizați în conformitate cu capacitatea de a accepta electroni (cu alte cuvinte, cu potențialul lor redox). Astfel, electronul se mișcă de la un purtător la altul, similar modului în care apa se mișcă de-a lungul unei cascade - de la o margine la alta.

Să explicăm esența principalelor elemente constitutive incluse în PS I și PS II.

Centrul de reacție PSII(Fig. 2.13) include un complex de eliberare a oxigenului, clorofila P 680, acceptorul primar de electroni feofitina (Feo) - un derivat al Chl, în care Mg este înlocuit cu protoni și acceptori secundari - molecule molecule.

nochinona (Q n și Q c), precum și plastochinona (Q).

Miezul centrului de reacție PS II este format din două proteine ​​​​membranare (D 1 și D 2) cu greutăți moleculare (MW) de 32 și 34 kD. Ambele proteine ​​au cinci bucle transmembranare și servesc drept bază pentru legarea majorității grupurilor protetice care acționează ca purtători de electroni. Alte proteine ​​(43 și 47 kD) ale PS II fac parte din complexul de pigmenți de captare a luminii sau sunt implicate în eliberarea de oxigen în timpul fotooxidării apei (33, 23, 16 kD). Funcțiile altor proteine ​​cu MM mici, cum ar fi citocromul b 559 și altele sunt încă necunoscute.

Complexul de evoluție a oxigenului include un bazin care conține Mn și calciu și clor ca cofactori. Mediatorul dintre centrul de eliberare a oxigenului și clorofila P 680 este reziduul aminoacidului tirozină (Y z) al proteinei D 1 ( vezi fig. 2.13).

PS I centru de reactie include donor primar de electroni Chl Р 700 , acceptor primar Chl A(A 0), acceptor intermediar - filochinonă (A 1), acceptori secundari - proteine ​​fier-sulf (F X, F A, F B), ferredoxină proteină fier-sulf solubilă în apă (F D), flavoproteină solubilă - ferredoxin-NADP-reductază ( F P).

PS I este un complex pigment-protein integral cu un MM de aproximativ 340 kD.

Complexul citocrom b 6 /f format din citocrom b 6, citocrom f, proteina fier-sulf Riske și subunitatea IV. Citocrom b 6 și subunitatea IV sunt elementele cele mai hidrofobe ale complexului. Grupul protetic al citocromului f reprezentată de heme Cu-tip, și un grup similar de citocrom b 6 este format din două pietre prețioase b-tip, legat covalent de resturile de histidină. Un hem se numește cu potențial ridicat (H), al doilea se numește cu potențial scăzut (L).

În transferul de electroni din PS II și anume din complex b 6 /f Plastocianina (o proteină solubilă în apă care conține doi atomi de cupru) este implicată în PS I.

Esența reacțiilor care apar la lumină a fost elucidată de D. Arnon (SUA) în 1954–1958. El a arătat că în lumina cloroplastelor izolate, ATP se formează datorită adăugării de fosfor mineral (P) la ADP.

În timpul mișcării unui electron de-a lungul unui astfel de lanț de purtători, o parte din energia acestuia este transformată într-o formă chimică, deoarece datorită acesteia, ATP este sintetizat din ADP și fosfor anorganic și o cantitate semnificativă de energie este stocată - 8-10 kcal. / mol.

Studii ulterioare au arătat că sinteza ATP este asociată cu transportul de electroni - ciclic sau non-ciclic.

Transportul ciclic de electroni.În primul sistem de pigment, P 700 este pigmentul capcană, iar restul sunt asamblatori (complex de antenă). Când o cuantă de lumină este absorbită, unul dintre electronii P 700 trece la un nivel de energie mai înalt și se alătură Chl un 695(A 0) și filochinonă (A 1), apoi proteine ​​care conțin fier și sulf (FeS). Potențial redox P 700 în starea fundamentală + 0,43 V; astfel, tendința de pierdere a electronilor este slab dezvăluită în ea. Când, ca urmare a absorbției unei cuante de lumină, molecula P 700 intră într-o stare excitată, potențialul său redox scade la -0,6 V și, prin urmare, renunță ușor la un electron (Fig. 2.14).

Dintr-o proteină care conține fier și sulf, un electron este transferat la un purtător numit ferredoxină. Din ferredoxină, electronul revine din nou la P 700 printr-un număr de purtători intermediari, inclusiv citocromi. b 6Și fși, de asemenea, plastocianină. În timp ce un electron este transportat pe această cale ciclică, energia sa este folosită pentru a adăuga Fn la ADP pentru a forma ATP.

Transport neciclic de electroni. Când stomatele frunzei sunt deschise și cloroplastele absorb lumină de diferite lungimi de undă, PSII se aprinde simultan cu PS I. Împreună, ele constituie un sistem de transport neciclic de electroni.

După cum sa menționat anterior, sub acțiunea luminii, P 700 intră într-o stare excitată (P 700 *) și se oxidează (P 700 +), electronii sunt transferați la acceptorii A 0 (clorofila). A) și A 1 (filochinonă). Mai departe proteinele fier-sulf legate de membrană (F X, FA, F B), prin care electronii intră în ferredoxină. Dar în acest caz, electronii trec de la acesta din urmă prin flavoproteină - ferredoxin-NADP-reductază - pentru a reduce NADP + la NADPH (vezi Fig. 2.12).

În acest caz, un electron trece de la ferredoxină prin diferite flavoproteine ​​la NADP+. Când doi electroni sunt atașați la NADP+ din mediul apos care înconjoară membranele tilacoide, protonii de apă sunt atașați de acesta și se formează NADPH, care este folosit în reacțiile ulterioare pentru a reduce CO 2 la nivelul de carbohidrați.

Astfel, P 700 este oxidat, în el se formează o „găură” de electroni. El nu poate rămâne în această stare mult timp. De unde ia electronul?

Când o cuantă de lumină este absorbită, P 680 intră, de asemenea, într-o stare excitată și donează un electron acceptorului primar feofitinei. În acest caz, clorofila P 680 trece într-o formă oxidată, iar feofitina este restaurată (Feo -). Electronul este apoi transferat la două chinone Q A și Q B (menochinone). După aceea, electronii intră în bazinul solubil în lipide de plastochinone (Q), care funcționează ca o „poartă cu doi electroni”. Unul dintre electroni intră în ciclul citocromilor b 6 (citat b/f), iar al doilea este trimis de-a lungul unui lanț liniar către PS I. Apoi electronii sunt transferați la proteina solubilă în apă plastocianina (Pc) și la capcana P 700 (vezi Fig. 2.12).

Dar acum „gaura” a apărut pe R 680. Această „găură” este umplută prin adăugarea unui electron din apă. Un electron dintr-o moleculă de apă se formează sub influența luminii (fotooxidare sau fotoliză). Ca urmare, molecula de apă este distrusă, formând protoni și oxigen:

Inhibitorul acestei reacții este diuronul (diclorfenildimetilureea). Plantele tratate cu diuron mor, deoarece transportul electronilor din apă este blocat, ATP nu se formează și NADP+ nu este restabilit și, prin urmare, recuperarea CO 2 este imposibilă.

Protonii formați în timpul fotooxidării apei rămân în mediu acvatic tilacoizi ai cloroplastelor, care include nu numai molecule de apă, ci și ioni H + - și OH -. Acumularea de protoni pe partea interioară a membranei tilacoide joacă un rol în formarea ATP, despre care se va discuta în continuare. Acest mod de transport de electroni se numește neciclic.

Transportul non-ciclic de electroni este, de asemenea, asociat cu sinteza ATP. Procesul de fosforilare ADP cu formarea de ATP, asociat cu transportul de electroni neciclic, se numește fosforilare fotosintetică neciclică (vezi Fig. 2.12).

În timpul fazei de lumină, electronii sunt transferați din apă (E = +0,81 V) în NADP + (E = - 0,32 V). Transferul de electroni de la o substanță cu un potențial mai pozitiv la o substanță cu un potențial mai negativ necesită energie. Se folosește energia luminii absorbită de pigment. Pentru transportul fiecărui electron sunt necesare două cuante. Acest transfer de electroni împotriva gradientului redox este munca fotochimică.

Prin urmare, esența reacției luminoase a fotosintezei este transportul succesiv al electronilor de la o moleculă la alta cauzat de lumină, având ca rezultat formarea de ATP și NADPH (Fig. 2.15).

Deoarece molecula care pierde un electron este oxidată, iar cea care îl câștigă este restaurată, acesta este un proces redox. Pentru transportul electronilor de la un purtător la al doilea, precum și pentru transferul de energie între moleculele de pigment, este necesară o împachetare atentă a moleculelor și o ordine strictă în plasarea lor, prin urmare etapa ușoară a fotosintezei este asociată cu membranele tilacoide ale cloroplaste. În plus, cu ajutorul membranelor, procesele de formare a oxigenului și a unui agent reducător puternic sunt decuplate, altfel ar putea interacționa.

Principalele diferențe dintre aceste două tipuri de fosforilare sunt prezentate în tabelul următor (Tabelul 2.4).

În consecință, doar PS I este implicat în transportul ciclic de electroni, în timp ce doi sunt implicați în transportul neciclic de electroni. PS I este localizat în tilacoizii stromei, în timp ce PS II este localizat doar în tilacoizii granului.

Tabelul 2.4

Comparația fotofosforilării ciclice și neciclice

Electronii care provin de la ferredoxină pot fi transportați și reduc oxigenul pentru a forma H 2 O 2 și în cele din urmă H 2 O. În acest caz, PS I și PS II funcționează și sunt absorbiți folosind ferredoxină redusă într-o reacție specială cantități egale de oxigen; un astfel de flux de electroni se numește pseudociclic. Deși nu există o schimbare netă a stării oxigenului cu acest flux de electroni, acest proces nu poate fi numit ciclic, deoarece nu există un transfer ciclic de electroni de-a lungul căii specificate.

Sinteza ATP. Energia eliberată în timpul mișcării electronilor de la P 680 (E \u003d -0,8) la P 700 (E \u003d + 0,4 V) este utilizată pentru a sintetiza ATP din ADP și fosfat anorganic (fotofosforilare).

Există mai multe teorii care explică mecanismul fosforilării ADP asociat cu funcționarea lanțului de transport de electroni. Teoria chimiosmatică a biochimistului englez P. Mitchell (1961), care a fost folosită pentru prima dată de A. Jagendorf (1967) pentru a explica procesele de fosforilare fotosintetică, a primit cea mai mare recunoaștere în prezent.

Experimentele lui A. Jagendorf au fost după cum urmează (Fig. 2.16 ) . Granulele cu pH 8 izolate din cloroplaste au fost plasate într-o soluție tampon cu pH 4. După păstrarea în această soluție, în granule s-a restabilit valoarea pH-ului egală cu 4. Apoi, granulele cu pH 4 au fost transferate într-o soluție tampon cu pH 8. gradient de protoni, care se formează de obicei în timpul proceselor fotochimice (în interiorul tilacoidului - pH 4, în exterior - pH 8). În aceste condiții, după adăugarea de ADP și Pn la mediu, ATP a fost sintetizat la întuneric.

Aceste experimente au făcut posibilă aplicarea teoriei chemiosmotice a lui Mitchell pentru a explica procesele care au loc în timpul fotofosforilării în cloroplaste.

Conform acestei teorii, plastochinona, având atașați doi electroni, atașează un alt proton 2H + din partea stromei cloroplastei și îi transferă prin membrană în spațiul intratilacoid. Protonii se acumulează în interiorul tilacoidului și ca urmare a fotooxidării apei.

Datorită distribuției neuniforme a protonilor pe ambele părți ale membranei, se creează o diferență potenţiale chimice ionii de hidrogen și apare potențialul electrochimic de membrană al ionilor de H +

include două componente: concentrația, rezultată din distribuția neuniformă a ionilor de H + pe ambele părți ale membranei, și electrică (ΔΨ), care se datorează potențialului de membrană (Fig. 2.16).

Energia ΔрН și ΔΨ este utilizată pentru transportul invers al protonilor din spațiul intratilacoid la stroma cloroplastei prin canale speciale. Cu transportul invers al protonilor se asociază fosforilarea ADP. Reacția este catalizată de H + -ATP sintetaza, care constă din două părți: o parte catalitică solubilă în apă situată în stroma cloroplastei și o parte membranară. Acesta din urmă este un canal de protoni prin care protonii se pot întoarce în stroma cloroplastei. Enzima H + -ATP sintetaza poate sintetiza ATP în timp ce protonii se mișcă. Protonii se mișcă atunci când concentrația lor în spațiul intratilacoid este mare.

Pentru fiecare doi electroni transferați de-a lungul lanțului de transport de electroni, 4H + se acumulează în interiorul tilacoidului. Pentru fiecare 3H + revenire la stroma cloroplastului, 1 molecula de ATP.

Prin urmare, produse finale Reacțiile luminoase ale fotosintezei sunt NADPH și ATP. Acești compuși sunt apoi utilizați ca forță reducătoare și ca sursă pentru conversia CO2 în zahăr. Pașii care compun aceste transformări sunt cunoscuți în mod colectiv sub denumirea de „reacții întunecate” ale fotosintezei.

Mecanismul fotosintezei.

Fotosinteza este un proces redox complex format din multe reacții enzimatice, în urma cărora dioxidul de carbon este redus și apa este oxidată. Adică, dioxidul de carbon este un acceptor de electroni, iar apa este donatorul lor. Fotosinteza se realizează prin alternarea a două faze:

1. Faza de lumină, care se desfășoară în lumină fără participarea dioxidului de carbon, nu depinde de temperatură.

2. Faza întunecată, care se desfășoară în întuneric cu participarea dioxidului de carbon, în funcție de temperatură.

Se compune din următoarele etape succesive:

1. Procesul de absorbție a energiei solare de către pigmenții plastidici și formarea moleculelor de clorofilă A excitate.

2. Oxidarea (fotoliza) apei și eliberarea de oxigen datorită energiei moleculelor de clorofilă excitate.

3. Sinteza ATP în procesul de fosforilare fotosintetică și formarea de NADxH2 redus.

Când o moleculă de clorofilă absoarbe lumina, electronul excitat își transferă energia către clorofila A, care în procesul de fotosinteză o transformă în energia legăturilor chimice. materie organică. În cloroplaste, clorofila și alți pigmenți sunt încorporați în membranele tilacoide și asamblați acolo în unități funcționale numite fotosisteme, fiecare dintre ele conține 250-400 de molecule de pigment. Toți pigmenții dintr-un fotosistem pot absorbi fotonii, dar doar o moleculă de clorofilă dintr-un fotosistem dat poate folosi energia absorbită în reacțiile fotochimice. Se obișnuiește să-l numim centrul de reacție al fotosistemului, iar toate celelalte sunt numite antenă, deoarece sunt capabile să colecteze lumina ca antenele. Există două tipuri de fotosisteme - fotosistemul 1 (P1) cu un optim de absorbție de 700 nm (P700) și fotosistemul 2 (P2) cu un optim de absorbție de 680 nm (P680). Οʜᴎ funcționează sincron, dar F1 poate funcționa independent.

Schema Z a fotosintezei (modelul reacțiilor luminii).

1. Energia luminii intră în F2, unde este absorbită de centrul de reacție P680, care este apoi excitat. Iar electronii săi excitați sunt transferați moleculei acceptoare Q. Molecula P680, care și-a pierdut electronii, îi poate înlocui cu electroni de apă, care se disociază în protoni și oxigen. Această scindare oxidativă dependentă de lumină a apei sub acțiunea enzimelor luminii și tilacoide este denumită în mod obișnuit fotoliză apă.

2. În continuare, electronii coboară de-a lungul lanțului de transport de electroni (ETC) până la F1. Compoziția ETC include citocromi, proteine ​​care conțin fier și sulf, chinone, plastocianina proteică care conține cupru. Rezultatul acestei reacții este transformarea moleculei de ADP în ATP datorită adăugării de fosfat și formării unei legături macroergice. - reacția de fosforilare.

3. În F1, energia luminii transferă electroni de la P700 la acceptorul de electroni P430, care este o proteină care conține fier. Următorul purtător de electroni, ferredoxina (proteina fier-feroasă), își transferă electronii către coenzima NAD, care este redusă la NADxH2, în timp ce molecula P700 este oxidată. Acest flux unidirecțional de electroni de la apă la NAD se numește flux de electroni neciclici, iar formarea de ATP se numește fosforilarea neciclică.

Diagrama Z a etapei luminoase a fotosintezei

Randamentul total de energie al fluxului de electroni neciclici este 12ATP, 12NADxH2, se eliberează 1 moleculă de O2. Ecuația totală a fazei luminoase a fotosintezei:

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

Fosforilarea ciclică.

F1 poate funcționa independent de F2. Acest proces se numește flux ciclic de electroni sau fosforilarea ciclică. În acest caz, electronii sunt transferați de la P700 la P430 când F1 este iluminat. Apoi, electronii nu merg la NAD, ci de-a lungul căii laterale asociate cu F1 către acceptorul Q și revin la centrul de reacție F1. Aceasta produce o moleculă de ATP din ADP. Deoarece există un flux ciclic de electroni, procesul se numește în mod obișnuit fosforilare ciclică. În acest caz, nu există descompunere a apei, eliberare de oxigen, formare de NADxH2. Acesta este un mod mai primitiv, este tipic pentru bacteriile fotosintetice și unele eucariote.

Fosforilarea ciclică