Fotokeemilised protsessid bioloogilistes süsteemides. Open Library - avatud haridusteabe raamatukogu Fotosünteesi fotokeemilised protsessid z diagramm
Stroomas esinevad tumedad reaktsioonid ei vaja valgust. CO 2 vähenemine toimub valgusreaktsioonide käigus tekkiva energia (ATP) ja redutseeriva jõu (NADPH 2) tõttu. Tumedaid reaktsioone kontrollivad ensüümid. Nende reaktsioonide järjestuse määrasid USA-s Calvin, Benson ja Bassem aastatel 1946–1953; 1961. aastal pälvis Calvin selle töö eest Nobeli preemia.
Calvini katsed
Calvini töö põhines süsiniku 14 C (poolestusaeg 5570 aastat, vt lisa 1.3) radioaktiivse isotoobi kasutamisel, mis sai teadlastele kättesaadavaks alles 1945. Lisaks kasutas Calvin paberkromatograafiat, mis tol ajal oli suhteliselt uus, mitte veel vähe levinud meetod. Üherakuliste rohevetikate Chlorella (Chlorella) kultuure kasvatati spetsiaalses aparaadis (joon. 9.17). Kultuuri hoiti 14 C02 juures erinevaid perioode, seejärel fikseeriti rakud kiiresti, valades suspensiooni kuuma metanooli. Lahustuvad fotosünteesiproduktid ekstraheeriti, kontsentreeriti ja eraldati kasutades kahemõõtmeline paberkromatograafia(joonis 9.18 ja lisa 1.8.2). Eesmärk oli jälgida teed, mida mööda märgistatud süsinik liigub (läbi vaheproduktide seeria) fotosünteesi lõppsaadusteks. Radioaktiivsete ühendite asukoht paberil määrati kasutades autoradiograafia: selleks asetati kromatogrammile 14 C kiirguse suhtes tundlik fotofilm, mis eksponeeriti ehk mustati nendes kohtades, kus asusid radioaktiivsed ained (joonis 9.18). Vaid ühe minuti jooksul pärast 14 CO 2-ga inkubeerimist sünteesiti palju suhkruid ja orgaanilisi happeid, sealhulgas erinevaid aminohappeid. Kuid Calvin suutis väga lühikest säritust kasutades - 5 sekundit või vähem - tuvastada esimese fotosünteesi produkti ja teha kindlaks, et see oli hape, mis sisaldab kolme süsinikuaatomit, nimelt fosfoglütseriinhape(FGK). Seejärel mõtles ta välja kogu vaheühendite ahela, mille kaudu fikseeritud süsinik edastatakse; neid etappe arutatakse hiljem. Sellest ajast alates on neid reaktsioone kutsutud Calvini tsükkel(või Calvin-Benson-Bassemi tsükkel).
Riis. 9.18. A. 14 CO 2 fikseerimine vetikates lühiajalise valgustuse korral. Fiksatsiooniproduktide määramine paberkromatograafia ja autoradiograafia abil. B. Fotosünteesiproduktide autoradiograafiad, mis on saadud pärast vetikate lühiajalist valgustamist 14 CO 2 juuresolekul
9.18. Millised on pikaealiste radioaktiivsete isotoopide kasutamise eelised bioloogilistes uuringutes?
9.19. Millist kasu saab kõrgema taime asemel klorella võtmisest?
9.20. Miks on Calvini aparaadi anum lame ja mitte sfääriline?
Süsiniku raja etapid
Süsinikdioksiidi fikseerimine:
CO 2 aktseptor on viie süsinikusisaldusega suhkur (pentoos) ribuloosbisfosfaat(st kahe fosfaatrühmaga ribuloos; seda ühendit nimetati varem ribuloosdifosfaadiks). CO 2 lisamist konkreetsele ainele nimetatakse karboksüülimine, ja sellist reaktsiooni katalüüsiv ensüüm on karboksülaas. Saadud kuuest süsinikust koosnev toode on ebastabiilne ja laguneb koheselt kaheks molekuliks fosfoglütseriinhape(FGK), mis on esimene fotosünteesi saadus. Ensüümi ribuloosbisfosfaatkarboksülaasi leidub suurtes kogustes kloroplastide stroomas – see on tegelikult kõige rikkalikum valk maailmas.
Taastumisfaas:
FHA sisaldab kolme süsinikuaatomit ja sellel on happeline karboksüülrühm (-COOH). TP on trioosfosfaat ehk glütseraldehüüdfosfaat (kolme süsinikuga suhkur); sellel on aldehüüdrühm (-CHO).
PGA-st hapniku eemaldamiseks (st selle taastamiseks) kasutatakse NADPH 2 redutseerivat jõudu ja ATP energiat. Reaktsioon kulgeb kahes etapis: esmalt kulub ära osa valgusreaktsioonide käigus tekkinud ATP-st ning seejärel kasutatakse ära kogu NADP·H 2, mis on samuti saadud valguses. Üldine tulemus on happe karboksüülrühma (-COOH) redutseerimine aldehüüdrühmaks (-CHO). Reaktsioonisaadus on trioosfosfaat, see tähendab kolme süsinikusisaldusega suhkur, mille külge on kinnitatud fosfaatrühm. Sellel ühendil on rohkem keemilist energiat kui PGA-l ja see on esimene fotosünteesi teel toodetud süsivesik.
CO 2 - ribuloosbisfosfaadi aktseptori regenereerimine. Osa trioosfosfaadist (TP) tuleb kulutada ribuloosbisfosfaadi regenereerimiseks, mida kasutatakse esimeses reaktsioonis. See protsess on keeruline tsükkel, mis hõlmab 3, 4, 5, 6, 7 süsinikuaatomiga suhkrufosfaate. See on koht, kus ülejäänud ATP kulub ära. Kõik tumedad reaktsioonid on kokku võetud joonisel fig. 9.19. Sellel joonisel on Calvini tsükkel kujutatud "musta kasti", mille ühelt poolt sisenevad CO 2 ja H 2 O ning teiselt poolt väljub trioosfosfaat. Nagu sellelt diagrammil näha, kasutatakse ATP jääki ribuloosbisfosfaadi fosforüülimiseks, kuid selle keerulise reaktsiooniahela üksikasju pole näidatud.
Jooniselt fig. 9.19 saame tuletada järgmise koondvõrrandi:
Siinkohal on oluline märkida, et kahe trioosfosfaadi molekuli moodustamiseks on vaja kuut CO 2 molekuli. Võrrandit saab lihtsustada, jagades kõik koefitsiendid 6-ga:
9.21. Joonistage kujund uuesti. 9.19, mis näitab ainult reaktsioonides osalevate süsinikuaatomite arvu; näiteks kirjutage 6 RiBF asemel "6 × 5C" jne.
Põhiteave fotosünteesi protsessi kohta on kokku võetud tabelis. 9.6.
| Valgusreaktsioonid | Tumedad reaktsioonid | |
| Lokaliseerimine kloroplastides | Tülakoidid | Stroma |
| Reaktsioonid | Fotokeemilised, st nad vajavad valgust. Valgusenergia põhjustab elektronide ülekande elektronide "doonoritelt" nende "aktseptoritele" kas mittetsüklilisel või tsüklilisel teel. Kaasatud on kaks fotosüsteemi – Ι ja ΙΙ. Need sisaldavad klorofülli molekule, mis valgusenergiat neelades kiirgavad elektrone. Vesi toimib mittetsüklilise raja elektronidoonorina. Elektronide ülekanne viib ATP (fotofosforüülimine) ja NADPH 2 moodustumiseni (vt ka tabel 9.5). | Nad ei vaja valgust. CO 2 fikseeritakse, kui see seondub viie süsiniku aktseptoriga, ribuloosbisfosfaadiga (RiBP); sel juhul moodustuvad kaks molekuli kolmest süsinikust koosnevast fosfoglütseriinhappest (PGA), mis on esimene fotosünteesi saadus. Toimub hulk reaktsioone, mida ühiselt nimetatakse Calvini tsükliks; sel juhul regenereeritakse CO 2 -RiBP aktseptor ja FGA redutseeritakse, muutudes suhkruks (vt ka joonis 9.19). |
| Kombineeritud võrrandid |
Redoksagentide paigutuse järjestus kloroplastide ETC-s vastavalt nende redokspotentsiaalile ja andmetele nende paiknemise kohta kompleksides peegeldab Fotosünteesi Z-skeem(vt joon. 3.32). Z-skeemi kohaselt toimub elektronide järjestikune ülekanne PSII-lt PS1-le ja kaks fotosüsteemi ühendatakse üheks elektronide ülekandeahelaks veest NADP +-le. Mõte kahe fotosüsteemi olemasolust kloroplastides ja nende ühisest järjestikusest toimimisest tekkis esmakordselt 1940. aastatel. põhinedes R. Emersoni labori katsetel, mis avastasid Fotosünteesi kvantsaagise punase tilga efekt kui kloroplastid on valgustatud monokromaatilise kaugpunase valgusega
(λ > 680 nm), põnev ainult PS1 ja fotosünteesi kvantsaagise suurendamise mõju lisades kaugpunasele valgusele valgustuse lainepikkusega umbes 650 nm (ergastav PSII). Hiljem näidati, et kloroplastides on elektronide transportimine võimalik mitte ainult veest NADP + kahe fotosüsteemi osalusel, vaid ka muud alternatiivsed teed, kus osaleb ainult üks kahest fotosüsteemist. Lisaks võib NADP + asemel molekulaarne hapnik toimida fotosünteesi ETC lõpliku elektroni aktseptorina. Praegu on vahe mittetsükliline, tsükliline ja pseudotsükliline elektronide transport kloroplastides.
Mittetsükliline elektronide transport- see on elektronide ülekanne veest NADP +-le, mis viiakse läbi kahe fotosüsteemi, tsütokroomi osalusel b 6 f-komplekssed ja vahepealsed madalmolekulaarsed transporterid – plastokinoonide (PQ), plastotsüaniini (Pc), ferredoksiini (FD) ja ferredoksiin-NADP oksidoreduktaasi (FNR) kogum. Sellega kaasneb hapniku vabanemine ja NADP + vähenemine. Seotud ATP sünteesiga (mittetsükliline fotofosforüülimine).
Tsükliline elektronide vool PS1 või PSII viiakse läbi eraldi.
Tsükliline transport, mis hõlmab FS1(vt joonis 3.33) hõlmab elektronide ülekandmist redutseeritud ferredoksiinist (FD BOCCT) tagasi oksüdeeritud P-ks. See hõlmab plastokinoonide kogumit, tsütokroomi. b 6 f-kompleks ja ilmselt spetsiaalne ensüüm FD-kinoonoksidoreduktaas (FQR). PS1 osalusel toimuv elektronide tsükliline voog on seotud ATP sünteesiga (tsükliline fotofosforüülimine) ja võib pakkuda täiendavat ATP sünteesi, mis on vajalik süsiniku assimilatsiooniprotsesside jaoks. See võib olla alternatiivne viis suure intensiivsusega valgusenergia kasutamiseks.
Riis. 3.34. FSI kompleksi struktuurne ja funktsionaalne korraldus (Wei-Zhong He,
1996, muudetud kujul):
(Mn) 4 - Mn sisaldav klaster; Tyr z - valgu D1 türosiin-161 - P primaarne elektrondoonor; Tyr D - D2 valgu türosiin-161; tsit. b 559 tsütokroom - b 559; Chl Z, Chl D - kaasnevad klorofüllid a; Auto - β-karoteen; Q A, Q B - plastokinoonid; I - valk; α, β - subühikud. Punktiirjoon näitab elektronide võimalikku tsüklilist voolu
Elektronide tsükliline vool sisse PSII on seotud elektronide pöördülekandega redutseeritud primaarsetelt kinoonidelt Q A ja (või) Q B reaktsioonikeskuse P oksüdeeritud pigmendile – selles osaleb tsütokroom. b 559,β-karoteen ja sellega kaasnevad klorofülli molekulid A(Chl Z või Chl D) PSII reaktsioonikeskusest (joonis 3.34).
Elektronide tsükliline voog PSII-s on alternatiivne viis valgusenergia kasutamiseks. See aktiveerub tingimustes, kus valguse intensiivsus ületab ETC võime oma energiat ära kasutada või kui kloroplastide vett oksüdeeriv süsteem on kahjustatud.
Pseudotsükliline elektronide vool- elektronide ülekandumist veest hapnikku - uuris esmakordselt A. Mehler (Mehler, 1951) ja sai tema järgi nime - Mehleri reaktsioon.
Hapniku vähendamine võib toimuda nagu PS1 puhul , ja PSII-s. Sel juhul võib hapniku neeldumine kompenseerida selle vabanemist H 2 O oksüdatsiooni ajal. Selle tulemusena on selle protsessi ainsaks tooteks, nagu elektronide tsüklilise voolu korral, ATP, mis sünteesitakse pseudotsüklilise protsessi käigus. fotofosforüülimine.
Elektronide pseudotsükliline voog põhjustab reaktiivsete hapnikuliikide (superoksiidi aniooni radikaal O) moodustumist , vesinikperoksiid H 2 O 2), seega võib protsessi aktiveerimine põhjustada fotosünteesiaparaadi häireid. See alternatiivne elektronide transport aktiveeritakse suure valguse intensiivsusega, kui kloroplastidel on oksüdeeritud NADP + puudujääk.
Veel 1905. aastal avastas inglane F. Beckman, uurides fotosünteesi erineva valgustuse ja temperatuuride juures, et vähese valguse korral sõltub fotosünteesi produktiivsus täielikult valgustusest ja kasvab koos sellega, kuid teatud piirini. Varem või hiljem lakkab tuli töötamast. Tehti ettepanek, et fotosünteesi saab jagada kahte faasi: valgusreaktsioonid, mis ei sõltu temperatuurist, ja pimedad reaktsioonid, mis ei sõltu valgusest, kuid sõltuvad temperatuurist. Fotosünteesi kahe faasi olemasolu esmane eksperimentaalne kinnitus saadi katsetes valgussähvatustega.
1920. aastal otsustas O. Warburg välja selgitada, mis on fotosünteesi jaoks parem – ere valgus või pimedus, mida katkestavad valgussähvatused. Järeldus oli järgmine: tume faas on mitu korda pikem kui hele faas; Valgussähvatuse ajal salvestab taim energiat, mis on vajalik mõnede CO 2 fikseerimisega seotud tumedate protsesside jaoks. See viimane protsess on aeglane ja kuni selle lõpuni ei vaja taim valgust.
Idee, et kloroplastides on kaks fotosüsteemi, väljendas R. Emerson 1957. aastal. Ta avastas, et punane valgus lainepikkusega üle 700 nm muutub väga tõhusaks, kui seda kasutatakse koos lühikese lainepikkusega valgusega. See nähtus, mida nimetatakse "Emersoni võimendusefektoriks", oli aluseks hüpoteesile, et fotosüntees hõlmab kahte erinevat valgusreaktsiooni; Fotosünteesi optimaalsed tingimused tekivad siis, kui need kaks reaktsiooni toimuvad samaaegselt. Seda hüpoteesi kinnitas üksikute fotosüsteemide (PS I ja PS II) otsene isoleerimine kõrgemate taimede kloroplastidest.
Kaks pigmendifotosüsteemi on kaks masinat, mis juhivad valgusfaasis fotosünteesi. Igaüks neist koosneb reaktsioonikeskusest ja molekulide ansamblist – valgust koguvatest pigmentidest (pigmendi-valgu kompleks – PBC). Igal fotosüsteemil on oma eraldiseisev pigmentide komplekt, samuti seotud elektronkandjad ning igal fotosüsteemil on oma ainulaadne. fotosünteesi reaktsioonid.
PS I koostis sisaldab esimest pigmendisüsteemi P 700, Chl monomeerse vormiga a 695, rauda ja väävlit sisaldavad valgud, 1–2 molekuli ferrodoksiini, 1 molekul tsütokroomi ja plastijaniini ning 2 molekuli tsütokroomi b 6 ;
PS II sisaldab teist pigmendisüsteemi P 680-ga, 4 molekuli plastatsüaniini, 2 molekuli tsütokroomi b 559 ja 6 mangaani aatomit.
ETC sisaldab ka plastakinoonide, lipiidides lahustuvate e- ja H+ kandjate kogumit.
Valgust koguvad pigmendid (valgust koguvad antennid) hõlmavad: karoteen, Chl a 662,a 670,a 677,a 684,a 692(PS I) ja PS II: a 622, a 670, a 677. Lisaks on olemas ka valgust koguv valgukompleks (LPC) (joonis 2.9).
Arvatakse, et madala valgustugevuse korral neelavad PS I ja PS II enda antennid väheseid valguskvante ega suuda seetõttu säilitada vajalikku fotosünteesireaktsioonide kiirust ning vaja on täiendavat energia sissevoolu, mille tagab SSC.
Vastupidi, suure valgustugevuse korral ei vaja pigmendisüsteemid nii palju energiat ja sisaldavad seetõttu oluliselt vähem SSC-d.
SSC sisaldab ksantofülle, klorofülli b, veidi klorofülli A. SSC kannab neeldunud energia PBC-sse ja seejärel reaktsioonikeskusesse (joonis 2.10).
Pärast selle energia saamist läheb klorofülli erivorm reaktsioonikeskuses ergastatud olekusse (Chl *). Chl* on väga kõrge reaktsioonivõimega ja tugev redutseerija.
A/A redokssüsteemis taandatakse A väärtuseks A –. Alates A - elektron liigub edasi ja läbi teiste elektronide transpordiahela komponentide kantakse lõpuks üle NADP +-le. Klorofüll, mis andis elektroni, läheb vaba katiooni olekusse - radikaal X +. Ta naaseb algsesse primaarsesse olekusse, olles saanud elektroni teise redokssüsteemi D/D redutseeritud vormist D – –. Oksüdeerunud D redutseeritakse D-ks –, saades veest elektroni (joon. 2.11).
Oletuse, et hapnik peaks veest vabanema, väljendas 1931. aastal K. Van Niel (Holland). 1937. aastal näitas inglane R. Hill, et isoleeritud kloroplastid vabastavad valguses hapnikku elektronaktseptori (ferritsüaniid, bensokinoon jne) juuresolekul, R. Hilli reaktsioon on üldiselt kirjutatud järgmiselt.
Üldiselt toimub vee lagunemisreaktsioon kolmes etapis (etapis). Sel juhul on aktseptoriks kinoon. Seega on O 2 vabanemise ja CO 2 redutseerimise protsessid üksteisest sõltumatud.
1941. aastal tõestasid kaks teadlaste rühma A.P. Vinogradov ja R.V Theis NSV Liidus ning S. Ruben ja M.D. Kamen USA-s, et kogu fotosünteesi käigus eralduv hapnik on vee hapnik, mitte CO 2, nagu varem arvati. .
PS (II) ja PS (I) paigutatakse järjestikku elektronide transpordiahelasse H 2 O-st NADP +-ni. Ühe NADP + molekuli redutseerimiseks fotosünteesi protsessis on vaja kahte elektroni ja kahte prootonit ning elektronide doonoriks on vesi. PS II-s toimub vee fotoindutseeritud oksüdatsioon, PS I-s NADP + – redutseerimine. Seega peavad fotosüsteemid toimima vastastikmõjus.
Fotosünteesi kvantsaagise andmete põhjal (eraldunud O 2 või seotud CO 2 kogus 1 neeldunud energia kvanti kohta) on ühe O 2 molekuli vabastamiseks vaja kaheksat valguskvanti; PS I ja PS II komponentide koostise ja redokspotentsiaali väärtuse põhjal töötati välja fotosünteesi valgusfaasi reaktsioonide järjestuse diagramm. Sarnasuse tõttu tähega Z nimetatakse seda skeemi Z-skeemiks (joonis 2.12).
Z-skeemi põhimõtte pakkusid esmakordselt välja R. Hill ja Pendal (1960) ning seda kinnitasid eksperimentaalselt Dneysensi tööd (1961).
PS I on ainus bakteritest leitud, mis toimib ilma hapniku osaluseta; sellel FS-il oli ilmselt eeliseid bioloogilise evolutsiooni algfaasis, kui maakera atmosfääris oli vähe hapnikku. PS II väljatöötamisega suutsid taimed veest molekulaarset hapnikku vabastada. Tõenäoliselt määras see asjaolu Maa atmosfääri omaduste muutused: anaeroobsest muutus see aeroobseks.
Seega saab fotosünteesi käigus kõrgemates taimedes tehtava fotokeemilise töö lõppkokkuvõttes taandada vee lagunemisele.
Kuid esmalt tuleb püütud footonite füüsikalist energiat muuta ja muuta see "keemiliseks" energiaks. Märkasime, et energia liigub reaktsioonikeskustesse. Selle tulemusena saavad üksikud elektronid piisavalt energiat, et nad saaksid liikuda klorofülli molekulidelt P 700 või P 680 elektronide kandja molekulidele. Kandja neelab teatud osa sellest aktiveerimisenergiast ja kannab elektroni üle järgmisele kandjale, kus protsessi korratakse. Kloroplastides paiknevad erinevad elektronikandjad membraanil või sees ja moodustavad rea, milles nad on paigutatud vastavalt nende võimele elektrone vastu võtta (teisisõnu nende redokspotentsiaalile). Seega liigub elektron ühelt kandjalt teisele, sarnaselt sellele, kuidas vesi liigub mööda kaskaadi – ühelt servalt teisele.
Selgitame PS I ja PS II peamiste koostisosade olemust.
PS II reaktsioonikeskus(joon. 2.13) sisaldab hapnikku vabastavat kompleksi klorofüll P 680, primaarset elektronaktseptorit feofütiini (Pheo) – Chl derivaati, milles Mg on asendatud prootonitega, ja sekundaarseid aktseptoreid – mo-molekule
nokinoon (Qn ja Qv), samuti plastokinoon (Q).
PS II reaktsioonikeskuse tuum koosneb kahest membraanivalgust (D 1 ja D 2), mille molekulmass (MW) on 32 ja 34 kDa. Mõlemal valgul on viis transmembraanset silmust ja need on aluseks enamiku elektronide kandjatena toimivate proteesrühmade sidumisele. Teised PSII valgud (43 ja 47 kD) on osa valgust koguvate pigmentide kompleksist või on seotud hapniku vabanemisega vee fotooksüdatsiooni ajal (33, 23, 16 kD). Teiste väikese molekulmassiga valkude, näiteks tsütokroom, funktsioonid b 559 ja teised on siiani teadmata.
Hapnikku vabastav kompleks sisaldab Mn-sisaldavat basseini ning kofaktoritena kaltsiumi ja kloori. Hapnikku vabastava tsentri ja klorofüll P 680 vaheline vahendaja on valgu D 1 türosiini aminohappejääk (Y z) ( vaata joon. 2.13).
PS I reaktsioonikeskus sisaldab primaarset elektrondoonorit Chl R 700, primaarset aktseptorit – Chl A(A 0), vaheaktseptor - füllokinoon (A 1), sekundaarsed aktseptorid - raud-väävelvalgud (F X, F A, F B), vees lahustuv raud-väävelvalk ferredoksiin (F D), lahustuv flavoproteiin - ferredoksiin-NADP reduktaas (F R) ).
PS I on integreeritud pigmendi-valgu kompleks, mille MW on umbes 340 kDa.
Tsütokroom b kompleks 6 /f koosneb tsütokroomist b 6, tsütokroom f, Rieske raud-väävlivalk ja subühik IV. Tsütokroom b 6 ja alaühik IV on kompleksi kõige hüdrofoobsemad elemendid. Tsütokroomi proteeside rühm f mida esindab heem Koos-tüüpi ja sarnase tsütokroomi rühmaga b 6 koosneb kahest kalliskivist b-tüüpi, kovalentselt seotud histidiini jääkidega. Ühte heemi nimetatakse kõrge potentsiaaliga (H), teist madala potentsiaaliga (L).
Elektronide ülekandel PS II-st, nimelt kompleksist b 6 /f PS I hõlmab plastotsüaniini (veeslahustuv valk, mis sisaldab kahte vase aatomit.
Valguses toimuvate reaktsioonide olemust selgitas D. Arnon (USA) aastatel 1954–1958. Ta näitas, et valguses moodustub ATP isoleeritud kloroplastides tänu mineraalfosfori (P) lisamisele ADP-le.
Elektroni liikumisel mööda sellist kandjate ahelat muundatakse osa selle energiast keemiliseks vormiks, kuna tänu sellele sünteesitakse ATP-d ADP-st ja anorgaanilisest fosforist ning talletatakse märkimisväärne kogus energiat - 8–10 kcal. /mol.
Edasised uuringud näitasid, et ATP süntees on seotud elektronide transpordiga – tsükliline või mittetsükliline.
Tsükliline elektronide transport. Esimeses pigmendisüsteemis on püünispigmendiks P 700 ja ülejäänud on kollektorid (antennikompleks). Kui valguskvant neeldub, liigub üks P 700 elektronidest kõrgemale energiatasemele ja liitub Chl-ga a 695(A 0) ja fülokinooni (A 1) ning seejärel rauda ja väävlit sisaldavad valgud (FeS). Redokspotentsiaal P 700 põhiolekus + 0,43 V; seega on selle kalduvus elektrone kaotada nõrgalt tuvastatav. Kui P 700 molekul satub valguskvandi neeldumise tulemusena ergastatud olekusse, langeb selle redokspotentsiaal –0,6 V-ni ja seetõttu annab ta kergesti elektroni ära (joonis 2.14).
Rauda ja väävlit sisaldavast valgust kandub elektron kandjale, mida nimetatakse ferredoksiiniks. Ferredoksiinist naaseb elektron mitmete vahekandjate, sealhulgas tsütokroomide kaudu uuesti P 700-sse b 6 Ja f, samuti plastotsüaniin. Kui elektroni transporditakse mööda seda tsüklilist rada, kasutatakse selle energiat Pn lisamiseks ADP-le, et moodustada ATP.
Mittetsükliline elektronide transport. Kui lehtede stomata on avatud ja kloroplastid neelavad erineva lainepikkusega valgust, lülitub PS II sisse samaaegselt PS I-ga. Koos moodustavad nad mittetsüklilise elektronide transpordi süsteemi.
Nagu eelnevalt märgitud, läheb P 700 valguse mõjul ergastatud olekusse (P 700 *) ja oksüdeerub (P 700 +), elektronid kantakse üle aktseptoritesse A 0 (klorofüll A) ja A 1 (fülokinoon). Membraaniga seotud raud-väävelvalkude (F X, F A, F B) kõrval, mille kaudu ferredoksiinile elektronid tarnitakse. Kuid sel juhul lähevad elektronid viimasest flavoproteiini - ferredoksiin-NADP reduktaasi - kaudu redutseerima NADP + NADPH-ks (vt joonis 2.12).
Sel juhul läbib ferredoksiinist pärit elektron läbi erinevate flavoproteiinide NADP +. Kui tülakoidmembraane ümbritsevast vesikeskkonnast lisatakse NADP+-le kaks elektroni, lisanduvad sellele veeprootonid ja moodustub NADPH, mida kasutatakse järgnevates reaktsioonides CO 2 vähendamiseks süsivesikute tasemele.
Seega P 700 oksüdeerub ja sellesse on tekkinud elektronide “auk”. Ta ei saa kaua selles seisundis püsida. Kust see elektroni saab?
Kui valguskvant neeldub, läheb P 680 samuti ergastatud olekusse ja loovutab elektroni primaarsele aktseptorile feofütiinile. Sel juhul läheb klorofüll P 680 oksüdeerunud vormi ja feofütiin redutseerub (Pheo –). Seejärel viiakse elektron üle kahele kinoonile Q A ja Q B (menokinoonid). Seejärel voolavad elektronid plastokinoonide (Q) lipiidides lahustuvasse kogumi, mis toimib "kaheelektronilise väravana". Üks elektronidest siseneb tsütokroomi tsüklisse b 6 (op. b/f) ja teine saadetakse mööda lineaarset ahelat PS I-sse. Seejärel kantakse elektronid vees lahustuvasse valku plastotsüoniini (Pc) ja P 700 lõksu (vt joonis 2.12).
Nüüd on aga P 680 peal “auk” tekkinud. See "auk" täidetakse veest elektroni lisamisega. Valguse mõjul (fotooksüdatsioon või fotolüüs) tekib veemolekulist elektron. Selle tulemusena hävib vee molekul, moodustades prootoneid ja hapnikku:
Selle reaktsiooni inhibiitor on diuroon (diklorofenüüldimetüüluurea). Diurooniga töödeldud taimed surevad, kuna elektronide transport veest on blokeeritud, ATP-d ei moodustu ja NADP + ei vähene ning seetõttu ei saa CO 2 vähendada.
Vee fotooksüdatsiooni käigus tekkinud prootonid jäävad kloroplasti tülakoidide vesikeskkonda, mis hõlmab lisaks veemolekulidele ka H + - ja OH – ioone. ATP moodustumisel mängib teatud rolli prootonite akumuleerumine tülakoidmembraani siseküljele, millest tuleb juttu edaspidi. Seda elektronide transpordi teed nimetatakse mittetsükliliseks.
Mittetsükliline elektronide transport on samuti seotud ATP sünteesiga. ADP fosforüülimise protsessi koos ATP moodustumisega, mis on seotud mittetsüklilise elektronide transpordiga, nimetatakse mittetsükliliseks fotosünteetiliseks fosforüülimiseks (vt joonis 2.12).
Seega saab fotosünteesi valgusfaasi protsessid kirjutada üldkujul:
Valgusfaasis kanduvad elektronid veest (E = +0,81 V) NADP +-le (E = – 0,32 V). Elektronide ülekandmine positiivsema potentsiaaliga ainelt negatiivsema potentsiaaliga ainele nõuab energiat. Kasutatakse pigmendi neeldunud valguse energiat. Iga elektroni transport nõuab kahte kvanti. See elektronide ülekanne redoksgradiendi vastu on fotokeemiline töö.
Järelikult on fotosünteesi valgusreaktsiooni olemus valguse poolt põhjustatud elektronide järjestikune transport ühelt molekulilt teise, mille tulemusena moodustuvad ATP ja NADPH (joon. 2.15).
Kuna molekul, mis kaotab elektroni, oksüdeerub ja see, mis elektroni saab, redutseerub, on see oksüdatsiooni-redutseerimisprotsess. Elektronide transportimiseks ühelt kandjalt teisele, aga ka energia ülekandmiseks pigmendimolekulide vahel on vajalik molekulide hoolikas pakendamine ja nende paigutuse range järjestamine, seetõttu on fotosünteesi kerge etapp seotud tülakoidmembraanidega. kloroplastid. Lisaks eraldatakse membraanide abil hapniku ja võimsa redutseerija moodustumise protsessid, vastasel juhul võivad need omavahel suhelda.
Peamised erinevused nende kahe fosforüülimise tüübi vahel on toodud järgmises tabelis (tabel 2.4).
Järelikult osaleb ainult PS I tsüklilises elektronide transpordis ja kaks on seotud mittetsüklilise elektronide transpordiga. PS I asub strooma tülakoidides ja PS II ainult grana tülakoidides.
Tabel 2.4
Tsüklilise ja mittetsüklilise fotofosforüülimise võrdlus
Ferredoksiinist pärinevaid elektrone saab üle kanda ja redutseerida hapnikku, moodustades H 2 O 2 ja lõpuks H 2 O. Sel juhul toimivad PS I ja PS II ning võrdne kogus hapnikku neeldub redutseeritud ferredoksiini abil spetsiaalses reaktsioon; Seda elektronide voolu nimetatakse pseudotsükliliseks. Kuigi selle elektronide vooluga hapniku olek puhasmuutust ei toimu, ei saa seda protsessi nimetada tsükliliseks, kuna sellel teel ei toimu elektronide tsüklilist ülekannet.
ATP süntees. Elektronide liikumisel P 680 (E = –0,8) kuni P 700 (E = +0,4 V) vabanevat energiat kasutatakse ATP sünteesiks ADP-st ja anorgaanilisest fosfaadist (fotofosforüülimine).
On mitmeid teooriaid, mis selgitavad elektronide transpordiahela toimimisega seotud ADP fosforüülimise mehhanismi. Praegu on kõige laialdasemalt tunnustatud teooria inglise biokeemiku P. Mitchelli (1961) kemosmaatiline teooria, mida esmakordselt kasutas A. Jagendorf (1967) fotosünteetilise fosforüülimise protsesside selgitamiseks.
A. Jagendorfi katsed koosnesid järgmistest (joonis 2.16 ) . Kloroplastidest eraldatud granaadid pH väärtusega 8 pandi puhverlahusesse, mille pH oli 4. Pärast selles lahuses hoidmist taastati graanulites pH väärtus 4. Seejärel viidi graanulid pH väärtusega 4 üle puhverlahusesse, mille pH oli 8. Seega on kunstlikult loodud prootoni gradient, mis tavaliselt moodustub fotokeemiliste protsesside käigus (tülakoidi sees - pH 4, väljast - pH 8). Nendes tingimustes sünteesiti pärast ADP ja Pn lisamist söötmele ATP pimedas.
Need katsed võimaldasid rakendada Mitchelli kemosmootilist teooriat, et selgitada kloroplastides fotofosforüülimisel toimuvaid protsesse.
Selle teooria kohaselt lisab plastokinoon, mis on lisanud kaks elektroni, kloroplasti stroomast veel 2H + prootoneid ja kannab need läbi membraani intratülakoidi ruumi. Prootonid kogunevad tülakoidi sisse ja vee fotooksüdatsiooni tulemusena.
Prootonite ebaühtlase jaotumise tõttu mõlemal pool membraani tekib vesinikioonide keemilise potentsiaali erinevus ja tekib H + ioonide elektrokeemiline membraanipotentsiaal.
sisaldab kahte komponenti: kontsentratsiooni, mis tuleneb H + ioonide ebaühtlasest paiknemisest membraani mõlemal küljel, ja elektrilist (ΔΨ), mille määrab membraani potentsiaal (joonis 2.16).
Energiat ΔрН ja ΔΨ kasutatakse prootonite pöördtranspordiks intratülakoidsest ruumist spetsiaalsete kanalite kaudu kloroplasti strooma. ADP fosforüülimine on seotud prootonite pöördtranspordiga. Reaktsiooni katalüüsib H + -ATP süntetaas, mis koosneb kahest osast: vees lahustuvast katalüütilisest osast, mis asub kloroplasti stroomas, ja membraaniosast. Viimane on prootonikanal, mille kaudu prootonid saavad naasta kloroplasti strooma. Ensüüm H+-ATP süntetaas suudab prootonite liikumise ajal ATP-d sünteesida. Prootonid liiguvad, kui nende kontsentratsioon intratülakoidruumis on kõrge.
Iga kahe elektroni transpordiahelas ülekantud elektroni kohta koguneb tülakoidi sisse 4H+. Iga kloroplasti strooma tagasi pöörduva 3H + kohta sünteesitakse 1 ATP molekul.
Seega on fotosünteesi valgusreaktsioonide lõpp-produktideks NADPH ja ATP. Neid ühendeid kasutatakse seejärel vastavalt redutseeriva jõuna ja CO 2 suhkruks muutmise allikana. Neid teisendusi moodustavad etapid on ühiselt tuntud kui fotosünteesi "tumedad reaktsioonid".
Suurim saavutus fotobioloogia vallas oli A. A. Krasnovski poolt 1948. aastal avastatud klorofülli pöörduv fotoredutseerimisreaktsioon evakueeritud püridiinilahuses vesiniku doonorite (askorbiinhappe) juuresolekul, mille käigus moodustub neelduv pigmendi roosa vorm. maksimaalne lainepikkusel 525 nm. Nüüdseks on üldiselt aktsepteeritud, et fotosünteesi esmane fotokeemiline reaktsioon on klorofülli pöörduv redoks-transformatsioon. Klorofülli fotoreduktsioonireaktsiooni kvantsaagis on etanool-vesi-püridiin ja vesi-püridiin lahustes. Krasnovski reaktsioon toimub mitmes etapis:
Hapniku ja muude oksüdeerivate ainete juuresolekul toimub pöördreaktsioon, mille tulemusena taastatakse lahuse esialgne roheline värvus:
Radikaalses anioonis delokaliseerub elektron mööda kromofoorituuma konjugeeritud sidemete süsteemi orbiite. Kaks vesinikuaatomit võivad kinnituda klorofülliga,
ilmselt erineval viisil, olenevalt keskkonnatingimustest, mida tõendab mitmete neeldumis- ja fluorestsentsspektrite poolest erinevate vormide tuvastamine. Lisaks askorbiinhappele võivad elektronide ja prootonite doonoritena toimida järgmised ühendid: fenüülhüdrasiin, tsüsteiin, bensüülnikotiinamiid, NADH, tsütokroom c; aktseptoriteks on lisaks hapnikule erinevad asovärvid ja kinoonid, riboflaviin, NAD, NADP, viologeenid ja muud ained.
Pöörduv fotoreduktsioonireaktsioon on iseloomulik mitte ainult klorofüllile a, vaid ka teistele klorofüllidele ja nendega seotud ühenditele (klorofüll bis, bakterioklorofüllid a ja feofütiinid a ning protoklorofüllid, erinevad porfüriinid). Seda ei täheldata fükoerütriini ja fükotsüaniini puhul.
Hiljem leiti, et klorofüll on võimeline ka pöörduvaks fotooksüdatsiooniks alkoholilahustes elektronaktseptorite juuresolekul. See reaktsioon toimub näiteks -kinooni juuresolekul viskoosses keskkonnas temperatuuril. Erinevalt klorofülli hävitavast oksüdatsioonist intensiivse valguse käes kaasneb sel juhul redutseerivate ainete lisamisega algse pigmendi osaline regenereerimine. Fotooksüdatsiooni esialgseid etappe kirjeldatakse järgmise skeemiga:
Äärmiselt oluline on, et ergastatud olekus klorofülli võime elektron vastu võtta või loovutada tagaks selle edasikandumise termodünaamilise potentsiaali vastu ternaarses molekulaarsüsteemis aktseptor – klorofüll – doonor ehk valguskvanti energia klorofülli abil. Vahendajana tarbitakse ja salvestatakse, kui elektron tõuseb doonoris "madalama" energiatasemega aktseptoris "kõrgemale" energiatasemele. Klorofülli kui "elektronpumba" tööd on demonstreeritud paljudes mudelsüsteemides. Sensibiliseeritud "ülespoole" elektronide transpordi mõju täheldatakse sõltumata sellest, kas see protsess algab klorofülli fotoreduktsiooniga
(ergastatud klorofüll võtab elektroni doonorilt maapinnale, mis oli varem hõivatud "ergastatud" fotoelektroni poolt, ja seejärel "ergastatud" elektron kantakse üle aktseptorisse) või selle fotooksüdatsioonist (klorofülli "ergastatud" elektron antakse aktseptorile, seejärel liigub doonorelektron klorofülli maapinnale). Neid seoseid saab illustreerida V. B. Evstignejevi diagrammiga (joonis 14).
Riis. 14. Elektronide fotoülekanne ternaarses süsteemis klorofüll - oksüdeerija - redutseerija (Evstigneev V.B., 1966): a, b - klorofülli maandatud ja ergastatud elektroonilised tasemed; oksüdeerija ja redutseerija elektroonilised tasemed (I - enne valgustamist, II - pärast valguse neeldumist pigmendi poolt, III - pärast elektronide üleminekuid); indeksid 1 (2) ja 2 (1) näitavad elektronide üleminekute ajajada, mille jooksul klorofüll vastavalt oksüdeerub ja redutseerub
Mis saab olema esmane - klorofülli redutseerimise või oksüdatsiooni määravad keskkonna olemus ning elektroni aktseptorite ja doonorite redoksomadused. Tõepoolest, olenevalt happe-aluse tasakaalu tingimustest kolmekomponentses süsteemis domineerivad klorofülli elektronidoonor- või elektronaktseptoromadused.
Tänu oma võimele läbida pöörduv oksüdatsiooni-redutseerimisreaktsioon, võib klorofüll toimida fotosünteesi ajal energia fotokatalüsaatorina, soodustades valgusenergia esmast salvestamist redutseeritud vaheühendite kujul.
Kuigi vaieldamatuid tõendeid pöörduva fotoreduktsiooni reaktsiooni kohta - klorofülli enda fotooksüdatsioon otse fotosünteetilistes organismides ei ole veel saadud, võib pigmentide neeldumisspektri kiireid, pöörduvaid muutusi, näiteks 890 nm neeldumisribas seostada see reaktsioon
üks bakterioklorofülli vorme ja klorofüll a neeldumisribas, mida täheldatakse laserimpulssidega kiiritamisel.
Elektronparamagnetilise resonantsi (EPR) andmed toetavad ka klorofülli pigmentide radikaalsete katioonide moodustumist rakus. Rhodospirillum rubrurn'i EPR-i fotosignaal omistatakse bakterioklorofülli radikaali ioonile, mis põhineb esiteks EPR-signaali kineetika ja neeldumise muutuste vastavusel nii toatemperatuuril kui ka madalal (77 K, 4 K) temperatuuril; teiseks vabade radikaalide ja bakterioklorofülli redokspotentsiaalide lähedus a.
Parsoni tööst järeldub, et bakteriaalse fotosünteesi esmane reaktsioon on:
kus A? on tundmatu olemusega primaarne elektronaktseptor, mis tähistab bakterioklorofülli oksüdatsiooni.
Väärtuslikku teavet fotosünteetiliste objektide reaktsioonikeskustes toimuvate redokstransformatsioonide kineetika kohta saadi lasertehnoloogia abil. Näiteks avastati, et elektronide ülekande kiirus doonori-fotokeemiliselt aktiivse klorofülli-aktseptori süsteemis jääb mikrosekundite vahemikku. Seega lillade bakterite puhul on elektronide ülemineku aeg pigmendilt aktseptorile 0,5 ja kõrgemate taimede puhul 2 μs. Sellisel kiirusel toimub elektronide ülekanne klorofüllist aktseptorisse isegi vedela lämmastiku temperatuuril -196 ° C), mis näitab selle füüsikalist olemust. Fotokeemiliselt aktiivse klorofülli (doonorpigmendi) redutseerimisreaktsioon toimub väiksema kiirusega: vastavalt bakteritel ja kõrgematel taimedel. Redutseerimisreaktsioonis oli võimalik eraldada kaks paralleelset rada, millest üks sõltub ja teine ei sõltu temperatuurist. Eeldatakse, et fotokeemiliselt aktiivse klorofülli redutseerimine toimub valdavalt teise reaktsiooni käigus.
Niisiis, klorofülli pigmendid fotosünteesis
organismid kontrollivad elektronide voogusid nende otsese oksüdatsiooni - redutseerimise tõttu, mitte aga vahepealsete redoks-vaheühendite (I) füüsilise sensibiliseerimise (energia migratsiooni) tõttu elektroni kandjale (P) ülekandmisega vastavalt skeemile.
Veelgi enam, kirjandus viitab sellele, et ühes kahest fotokeemilisest süsteemist on fotoreduktsioon esmane, teises aga klorofülli fotooksüdatsioon. Näiteks on kindlaks tehtud, et esmane fotokeemiline reaktsioon punavetikate esimeses fotosüsteemis (PS I) on klorofülli aktiivse vormi oksüdatsioon.
Seega on liidese klorofülli fotofüüsika ja orgaanilises aines neeldunud valgusenergia salvestamise vahel selle redoksmuutused. Selle tulemusena muutub vee "külm" elektron NADPH energiarikkaks "kuumaks" elektroniks, mille molekul säilitab päikeseenergia:
Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt ei ole elektroni eemaldamine veest ja selle ülekandmine NADPH-sse üheastmeline protsess, vaid mitmeastmeline järjestikuste redoksreaktsioonide protsess spetsiaalsete ainete - elektronide kandjate - ahelas (elektronikaskaadis).
