Фотохимические процессы в биологических системах. Open Library - открытая библиотека учебной информации Фотохимические процессы фотосинтеза z схема
Для темновых реакций, которые протекают в строме, свет не нужен. Восстановление СО 2 происходит за счет энергии (АТФ) и восстановительной силы (НАДФ·Н 2), образующихся при световых реакциях. Темновые реакции контролируются ферментами. Последовательность этих реакций была определена в США Кальвином, Бенсоном и Бэссемом в период с 1946 по 1953 г.; в 1961 г. Кальвину была присуждена за эту работу Нобелевская премия.
Эксперименты Кальвина
Работы Кальвина были основаны на использовании радиоактивного изотопа углерода 14 С (период полураспада 5570 лет, см. Приложение 1.3), который стал доступным для исследователей только в 1945 г. Кроме того, Кальвин применял бумажную хроматографию, которая в то время была сравнительно новым, еще мало распространенным методом. Культуры одноклеточной зеленой водоросли хлореллы (Chlorella) выращивали в специальном аппарате (рис. 9.17). Культуру выдерживали с 14 СО 2 в течение различных промежутков времени, затем клетки быстро фиксировали, выливая суспензию в горячий метанол. Растворимые продукты фотосинтеза экстрагировали, концентрировали и разделяли при помощи двумерной хроматографии на бумаге (рис. 9.18 и Приложение 1.8.2). Цель состояла в том, чтобы проследить путь, по которому меченый углерод попадает (через ряд промежуточных продуктов) в конечные продукты фотосинтеза. Положение радиоактивных соединений на бумаге определяли с помощью радиоавтографии : для этого на хроматограмму накладывали фотопленку, чувствительную к излучению 14 С, и она засвечивалась, т. е. чернела, в тех местах, где находились радиоактивные вещества (рис. 9.18). Уже за одну минуту инкубации с 14 СО 2 синтезировались многие сахара и органические кислоты, в том числе различные аминокислоты. Однако Кальвину удалось, используя очень короткие экспозиции - в течение 5 и менее секунд - идентифицировать первый продукт фотосинтеза и установить, что это кислота, содержащая три атома углерода, а именно фосфоглицериновая кислота (ФГК). Затем он выяснил всю цепь промежуточных соединений, по которой передается фиксированный углерод; эти стадии будут рассмотрены позднее. С тех пор эти реакции называют циклом Кальвина (или циклом Кальвина - Бенсона- Бэссема).
Рис. 9.18. А. Фиксация 14 СО 2 У водорослей при кратковременном освещении. Определение продуктов фиксации с помощью хроматографии на бумаге и радиоавтографии. Б. Радиоавтографы продуктов фотосинтеза, получающихся после кратковременного освещения водорослей в присутствии 14 СО 2
9.18. Какие преимущества дает применение долгоживущих радиоактивных изотопов в биологических исследованиях?
9.19. Какие преимущества можно получить, взяв хлореллу вместо высшего растения?
9.20. Почему сосуд аппарата Кальвина имеет плоскую, а не шарообразную форму?
Этапы пути углерода
Фиксация двуокиси углерода:
Акцептором СО 2 служит пятиуглеродный сахар (пентоза) рибулозобисфосфат (т. е. рибулоза с двумя фосфатными группами; раньше это соединение называли рибулозодифосфатом). Присоединение СО 2 к тому или иному веществу называется карбоксилированием , а фермент, катализирующий такую реакцию, - карбоксилазой . Образующийся шестиуглеродный продукт неустойчив и сразу же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК), которая и является первым продуктом фотосинтеза. Фермент рибулозобисфосфат-карбоксилаза содержится в строме хлоропластов в большом количестве - это фактически самый распространенный в мире белок.
Восстановительная фаза :
ФГК содержит три атома углерода и имеет кислотную карбоксильную группу (-СООН). ТФ - это триозофосфат, или глицеральдегидфосфат (трехуглеродный сахар); он имеет альдегидную группу (-СНО).
Для удаления кислорода из ФГК (т. е. для ее восстановления) используются восстановительная сила НАДФ·Н 2 и энергия АТФ. Реакция протекает в два этапа: сначала расходуется часть АТФ, образовавшегося в ходе световых реакций, а затем используется весь НАДФ·Н 2 , также полученный на свету. Суммарный результат - восстановление карбоксильной группы кислоты (-СООН) до альдегидной группы (-СНО). Продукт реакции - триозофосфат, т. е. трехуглеродный сахар с присоединенной к нему фосфатной группой. В этом соединении больше химической энергии, чем в ФГК, и это первый углевод, который образуется при фотосинтезе.
Регенерация акцептора для СО 2 - рибулозобисфосфата . Часть триозофосфата (ТФ) должна израсходоваться на регенерацию рибулозобисфосфата, который используется в первой реакции. Этот процесс представляет собой сложный цикл, в котором участвуют сахарофосфаты с 3, 4, 5, 6, 7 атомами углерода. Именно здесь и расходуется остальной АТФ. Все темновые реакции суммированы на рис. 9.19. На этом рисунке цикл Кальвина изображен в виде "черного ящика", в который с одной стороны поступают СО 2 и Н 2 О, а с другой стороны выходит триозофосфат. Как видно из этой схемы, остаток АТФ используется для фосфорилирования рибулозобисфосфата, однако детали этой сложной цепи реакций не показаны.
Из рис. 9.19 можно вывести такое суммарное уравнение:
Здесь важно обратить внимание на то, что на образование двух молекул триозофосфата идет шесть молекул СО 2 . Уравнение можно упростить, поделив все коэффициенты на 6:
9.21. Перерисуйте рис. 9.19, указав только число атомов углерода, участвующих в реакциях; например, вместо 6 РиБФ напишите "6 × 5С" и т. д.
Основные сведения о процессе фотосинтеза резюмированы в табл. 9.6.
| Световые реакции | Темновые реакции | |
| Локализация в хлоропластах | Тилакоиды | Строма |
| Реакции | Фотохимические, т. е. требуют света. Световая энергия вызывает перенос электронов от "доноров" электронов к их "акцепторам" либо по нециклическому, либо по циклическому пути. Участвуют две фотосистемы - Ι и ΙΙ. В них находятся молекулы хлорофиллов, которые при поглощении энергии света испускают электроны. Вода служит донором электронов для нециклического пути. Перенос электронов приводит к образованию АТФ (фотофосфорилированию) и НАДФ·Н 2 (см. также табл. 9.5). | Не требуют света. СО 2 фиксируется, когда связывается с пятиуглеродным акцептором - рибулозобисфосфатом (РиБФ); при этом образуются две молекулы трехуглеродного соединения-фосфоглицериновой кислоты (ФГК), первого продукта фотосинтеза. Происходит целый ряд реакций, в совокупности называемых циклом Кальвина; при этом регенерируется акцептор для СО 2 -РиБФ, а ФГК восстанавливается, превращаясь в сахар (см. также рис. 9.19). |
| Комбинированные уравнения |
Последовательность расположения редокс-агентов в ЭТЦ хлоропластов в соответствии с их окислительно-восстановительным потенциалом и данными по их локализации в комплексах отражает Z-схема фотосинтеза (см. рис. 3.32). Согласно Z-схеме, существует последовательный перенос электронов от ФСII к ФС1 и две фотосистемы объединяются в единую цепь переноса электронов от воды к НАДФ + . Представление о существовании в хлоропластах двух фотосистем и их совместной последовательной работе впервые возникло в 1940-е гг. на основании опытов лаборатории Р. Эмерсона, обнаруживших эффект красного падения квантового выхода фотосинтеза при освещении хлоропластов монохроматическим дальним красным светом
(λ > 680 нм), возбуждающим только ФС1, и эффект усиления квантового выхода фотосинтеза при добавлении к дальнему красному свету подсветки с длиной волны около 650 нм (возбуждающей ФСII). Позднее было показано, что в хлоропластах транспорт электронов возможен не только от воды к НАДФ + с участием двух фотосистем, но и другие альтернативные пути с участием лишь одной из двух фотосистем. Кроме того, конечным акцептором электронов в ЭТЦ фотосинтеза вместо НАДФ + может выступать молекулярный кислород. В настоящее время различают нециклический, циклический и псевдоциклический транспорт электронов в хлоропластах.
Нециклический транспорт электронов - это перенос электронов от воды к НАДФ + , осуществляемый с участием двух фотосистем, цитохромного b 6 f -комплекса и промежуточных низкомолекулярных переносчиков - пула пластохинонов(PQ), пластоцианина (Пц), ферредоксина (ФД) и ферредоксин-НАДФ-оксидоредуктазы (ФНР). Он сопровождается выделением кислорода и восстановлением НАДФ + . Сопряжен с синтезом АТФ (нециклическое фотофосфорилирование).
Циклический поток электронов осуществляют отдельно ФС1 или ФСII.
Циклический транспорт с участием ФС1 (см. рис. 3.33) включает перенос электронов от восстановленного ферредоксина (ФД ВОССТ) обратно к окисленному П При этом участвует пул пластохинонов, цитохром b 6 f -комплекс и, вероятно, особый фермент ФД-хиноноксидоредуктаза (FQR). Циклический поток электронов с участием ФС1 сопряжен с синтезом АТФ (циклическое фотофосфорилирование) и может обеспечивать дополнительный синтез АТФ, необходимый для процессов ассимиляции углерода. Он может быть альтернативным путем использования энергии света при его высоких интенсивностях.
Рис. 3.34. Структурно-функциональная организация комплекса ФСИ (по Wei-Zhong He,
1996, с изменениями):
(Мn) 4 - Mn-содержащий кластер; Tyr z - тирозин-161 белка D1 - первичный донор электронов для П ; Tyr D - тирозин-161 белка D2; цит. b 559 цитохром - b 559 ; Хл Z ,Хл D - сопровождающие хлорофиллы a ; Кар - β-каротин; Q A , Q B - пластохиноны; I - белок; α, β - субъединицы. Пунктиром обозначен возможный циклический поток электронов
Циклический поток электронов в ФСII связан с обратным переносом электронов от восстановленных первичных хинонов Q A и (или) Q B к окисленному пигменту реакционного центра П - При этом участвуют цитохром b 559 , β-каротин и сопровождающие молекулы хлорофилла а (Хл Z или Хл D) реакционного центра ФСII (рис. 3.34).
Циклический поток электронов в ФСII является альтернативным путем использования энергии света. Он активируется в условиях, когда интенсивность света превышает возможности ЭТЦ утилизировать его энергию или при повреждении водоокисляющей системы хлоропластов.
Псевдоциклический поток электронов - перенос электронов от воды на кислород - впервые был исследован А. Мелером (Mehler, 1951) и назван его именем - реакция Мелера.
Восстановление кислорода может происходить как в ФС1, так и в ФСII. При этом поглощение кислорода может компенсировать его выделение в ходе окисления Н 2 О. В результате единственным продуктом этого процесса, как и в случае циклического потока электронов, будет АТФ, синтезируемая при псевдоциклическом фотофосфорилировании.
Псевдоциклический поток электронов приводит к образованию активных форм кислорода (супероксиданионрадикала O , перекиси водорода Н 2 О 2), поэтому активация процесса может вызвать нарушения фотосинтетического аппарата. Этот альтернативный транспорт электронов активируется при высоких интенсивностях света в условиях дефицита в хлоропластах окисленного НАДФ + .
Еще в 1905 году англичанин Ф. Бекман, изучая фотосинтез при различной освещенности и температуре, выявил, что при слабом свете продуктивность фотосинтеза целиком зависит от освещения и растет вместе с ней, но до определенной границы. Рано или поздно свет прекращает свое действие. Было сделано предположение, что фотосинтез можно разделить на две фазы: реакции световые, не зависящие от температуры, и темновые, не зависящие от света, но зависящие от температуры. Первичное экспериментальное подтверждение наличия двух фаз фотосинтеза были получены в опытах со вспышками света.
В 1920 г. О. Варбург решил выяснить, что лучше для фотосинтеза – яркий свет или темнота, которая прерывается световыми вспышками. Вывод был следующий: темновая фаза во много раз длительней световой; во время вспышки света растение запасает энергию, которая необходима для каких-то темновых процессов, связанных с фиксацией СО 2 . Этот последний процесс идет медленно, и пока он не окончится, растению света не надо.
Мысль о наличии в хлоропластах двух фотосистем высказал Р. Эмерсон в 1957 г. Он выявил, что красный свет с длиной волны более 700 нм, становится очень эффективным, когда используется вместе с коротковолновым светом. Это явление, названное «эффектором усиления Эмерсона», было положено в основу гипотезы, согласно которой фотосинтез включает две разные световые реакции; оптимальные условия для фотосинтеза складываются в случае, когда эти две реакции идут одновременно. Эту гипотезу подтвердило непосредственное выделение из хлоропластов высших растений отдельных фотосистем (ФС I и ФС II).
Две пигментные фотосистемы – это две машины, движущие фотосинтез на световой стадии. Каждая состоит из реакционного центра и ансамбля молекул – светособирающих пигментов (пигмент-белковый комплекс – ПБК. Каждой фотосистеме соответствует свой отдельный набор пигментов, а также связанных с ними переносчиков электронов и в каждой фотосистеме происходят свои, только ей присущие фотосинтетические реакции.
В состав ФС I входят первая пигментная система с Р 700 , мономерная форма Хл а 695 , белки, содержащие железо и серу, 1–2 молекулы ферродоксина, по 1 молекуле цитохрома и пластицианина и 2 молекулы цитохрома b 6 ;
В состав ФС II – вторая пигментная система с Р 680 , 4 молекулы пластацианина, 2 молекулы цитохрома b 559 и 6 атомов марганца.
В ЭТЦ входит и пул пластахинонов – липидрастворимых переносчиков е – и Н + .
В состав светособирающих пигментов (светособирающие антены) входят: каротин, Хл а 662 , а 670 , а 677 , а 684 , а 692 (ФС I) и ФС II: а 622 , а 670 , а 677 . Кроме того, имеется еще светособирающий белковый комплекс (ССК) (рис.2.9).
Считают, что при низкой интенсивности света собственные антенны ФС I и ФС II поглощают мало квантов света и поэтому не могут поддерживать необходимой скорости фотосинтезирующих реакций, и нужен дополнительный приток энергии, который обеспечит ССК.
Наоборот, при высоких интенсивностях света пигментным системам не нужно столько энергии и поэтому они содержат значительно меньше ССК.
В состав ССК входят ксантофиллы, хлорофилл b , некоторое количество хлорофилла а . ССК передает поглощенную энергию на ПБК и затем на реакционный центр (рис. 2.10).
Получив эту энергию, специальная форма хлорофилла в реакционном центре переходит в возбужденное состояние (Хл *). Хл * обладает очень высокой реакционной способностью и является сильным восстановителем.
В окислительно-восстановительной системе А/А – происходит восстановление А до А – . От А – электрон переходит дальше и через другие компоненты электрон-транспортной цепи в конечном счете переносятся на НАДФ + . Хлорофилл, который отдал электрон, переходит в состояние свободного катиона – радикала Х + . Он возвращается в основное первичное состояние, получив электрон восстановленной формы Д – – второй окислительно-восстановительной системы Д/Д – . Окисленный Д восстанавливается до Д – , получая электрон от воды (рис. 2.11).
Догадку о том, что кислород должен выделяться из воды высказал в 1931 г. К. Ван-Нил (Голландия). В 1937 г. англичанин Р. Хилл показал, что изолированные хлоропласты выделяют на свету кислород в условиях наличия акцептора электронов (феррицианид, бензохинон и др.) Реакцию Р. Хилла в общем в виде записывают так:
Вообще, реакция разложения воды происходит в три стадии (этапа). В данном случае акцептором является хинон. Таким образом, процессы выделения О 2 и восстановления СО 2 независимы один от другого.
В 1941 г. одновременно две группы ученых А. П. Виноградов и Р. В. Тейс в СССР и С. Рубен и М. Д. Камен в США, доказали, что весь кислород, который выделяют при фотосинтезе, является кислородом воды, а не СО 2 , как считали раньше.
ФС (II) и ФС (I) размещаются последовательно в цепи транспорта электронов от Н 2 О до НАДФ + . Для восстановления одной молекулы НАДФ + в процессе фотосинтеза необходимо два электрона и два протона, при этом донором электронов является вода. Фотоиндуцированное окисление воды происходит в ФС II, восстановление НАДФ + – ФС I. Таким образом, фотосистемы должны функционировать во взаимодействии.
Исходя из данных квантового выхода фотосинтеза (количество выделенного О 2 или связанного СО 2 на 1 квант поглощенной энергии), необходимо восемь квантов света для выделения одной молекулы О 2 ; из состава компонентов ФС I и ФС II и величины окислительно-восстановительного потенциала была разработана схема последовательности реакций в световой стадии фотосинтеза. Из-за подобия с буквой Z эта схема получила название Z-схемы (рис. 2.12).
Впервые принцип Z-схемы был предложен Р. Хиллом и Пендалом (1960 г.) и экспериментально подтвержден работами Днейзенса (1961 г.).
ФС I – единственная, имеющаяся у бактерий, работает без участия кислорода; эта ФС, вероятно, имела преимущества на ранних этапах биологической эволюции, когда кислорода в земной атмосфере было мало. С развитием ФС II растения получили возможность выделять молекулярный кислород из воды. Вероятно, это обстоятельство и определило изменения свойств земной атмосферы: из анаэробной она стала аэробной.
Таким образом, фотохимическую работу у высших растений, выполняемую при фотосинтезе, в конечном счете, можно свести до разложения воды.
Однако сначала физическая энергия уловленных фотонов должна быть видоизменена и переведена в «химическую» энергию. Мы отметили, что энергия мигрирует до реакционных центров. В результате отдельные электроны получают достаточное количество энергии для того, чтобы они могли перейти от молекул хлорофилла Р 700 или Р 680 до молекул-переносчиков электронов. Переносчик поглощает определенную часть этой энергии активации и передает электрон следующему переносчику, где этот процесс повторяется. В хлоропластах разные переносчики электронов расположены на мембране или внутри мембран и образуют ряд, в пределах которого они располагаются в соответствии со способностью присоединять электроны (другими словами, с их окислительно-восстановительным потенциалом). Таким образом, электрон переходит от одного переносчика к другому, наподобие с тем, как движется по каскаду вода – с одного уступа на другой.
Поясним суть основных составляющих элементов, входящих в ФС I и ФС II.
Реакционный центр ФС II (рис. 2.13)включает кислород выделяющий комплекс, хлорофилл Р 680 , первичный акцептор электронов феофитин (Фео) – производное Хл, в котором Mg замещен протонами, и вторичные акцепторы – молекулы мо
нохинона (Q н и Q в), а также пластохинон (Q).
Ядро реакционного центра ФС II составляют два мембранных белка (D 1 и D 2) с молекулярной массой (ММ) 32 и 34 кД. Оба белка имеют по пять трансмембранных петель и служат основой для связывания большинства простетических групп, выполняющих функции переносчиков электронов. Другие белки (43 и 47 кД) ФС II входят в состав комплекса светособирающих пигментов или участвуют в выделении кислорода при фотоокислении воды (33, 23, 16 кД). Функции остальных белков с небольшой ММ, например цитохрома b 559 и других, пока неизвестны.
В кислородвыделяющий комплекс входит Mn-содержащий пул и как кофакторы кальций и хлор. Посредником между кислородвыделяющим центром и хлорофиллом Р 680 является остаток аминокислоты тирозина (Y z) белка D 1 (см. рис. 2.13).
Реакционный центр ФС I включает первичный донор электронов Хл Р 700 , первичный акцептор – Хл а (А 0), промежуточный акцептор – филлохинон (А 1), вторичные акцепторы – железосерные белки (F X , F A , F B), водорастворимы железосерный белок ферредоксин (Ф Д), растворимый флавопротеин – ферредоксин-НАДФ-редуктазу (Ф П).
ФС I представляет собой интегральный пигментбелковый комплекс с ММ около 340 кД.
Комплекс цитохром b 6 /f состоит из цитохрома b 6 , цитохрома f , железосерного белка Риске и субъединицы IV. Цитохром b 6 и субъединица IV являются наиболее гидрофобными элементами комплекса. Простетическая группа цитохрома f представлена гемом с -типа, а аналогичная группа цитохрома b 6 состоит из двух гемов b -типа, ковалентно связанных с остатками гистидина. Один гем называют высокопотенциальным (Н), второй низкопотенциальный (L).
В передаче электронов от ФС II, а именно от комплекса b 6 /f к ФС I участвует пластоцианин (водорастворимый белок, содержащий два атома меди.
Сущность реакций, которые происходят на свету, была выяснена Д. Арноном (США) в 1954–1958 гг. Он показал, что на свету в изолированных хлоропластах идет образование АТФ за счет присоединения минерального фосфора (Ф) к АДФ.
Во время перемещения электрона по такой цепи переносчиков часть его энергии преобразуется в химическую форму, поскольку за счет ее из АДФ и неорганического фосфора синтезируется АТФ и запасается значительное количество энергии – 8–10 ккал/моль.
Дальнейшие исследования показали, что синтез АТФ сопряжен с транспортом электронов – циклическим или нециклическим.
Циклический транспорт электронов. В первой пигментной системе – пигментом-ловушкой является Р 700 , а остальные – сборщики (антенный комплекс). При поглощении кванта света один из электронов Р 700 переходит на более высокий энергетический уровень и присоединяется к Хл а 695 (А 0) и филлохинону (А 1), а затем белкам, содержащим железо и серу (FeS). Окислительно-восстановительный потенциал Р 700 в основном состоянии + 0,43 В; таким образом, тенденция к потере электронов у него выявлена слабо. Когда в результате поглощения кванта света молекула Р 700 переходит в возбужденное состояние, ее окислительно-восстановительный потенциал падает до –0,6 В и поэтому она легко отдает электрон (рис. 2.14).
От белка, содержащего железо и серу, электрон передается переносчику, который называется ферредоксином. От ферредоксина электрон вновь возвращается к Р 700 через ряд промежуточных переносчиков, среди которых цитохромы b 6 и f , а также пластоцианин. В то время, когда электрон транспортируется по этому циклическому пути, его энергия используется для присоединения Ф н к АДФ с образованием АТФ.
Нециклический транспорт электронов. Когда устьица листа открыты, а хлоропласты поглощают свет разных длин волн, одновременно с ФС I включается ФС II. Совместно они составляют систему нециклического транспорта электронов.
Как ранее отмечалось, под действием света Р 700 переходит в возбужденное состояние (Р 700 *) и окисляется (Р 700 +), электроны переносятся на акцепторы А 0 (хлорофилл а ) и А 1 (филлохинон). Далее на мембрансвязанные железосерные белки (F X , F A , F B), через которые электроны поступают на ферредоксин. Но в этом случае от последнего через флавопротеин – ферредоксин-НАДФ-редуктазу – электроны идут на восстановление НАДФ + до НАДФН (см. рис. 2.12).
В этом случае от ферредоксина электрон через разные флавопротеиды переходит на НАДФ + . Когда два электрона присоединяются к НАДФ + из водной среды, которая окружает тилакоидные мембраны, к нему присоединяются протоны воды и образуется НАДФН, который используется в последующих реакциях для восстановления СО 2 до уровня углевода.
Таким образом, Р 700 окислен, в нем образовалась электронная «дырка». Он не может долго оставаться в этом состоянии. Откуда он получает электрон?
При поглощении кванта света Р 680 тоже переходит в возбужденное состояние и отдает электрон первичному акцептору феофитину. При этом хлорофилл Р 680 переходит в окисленную форму, а феофитин восстанавливается (Фео –). Затем электрон передается на два хинона Q A и Q B (менохиноны). После этого электроны поступают на липидрастворимый пул пластохинонов (Q), который функционирует как «двухэлектронные ворота». Один из электронов поступает в цикл цитохромов b 6 (цит b/f ), а второй направляется по линейной цепи в ФС I. Потом электроны переносятся на водорастворимый белок пластоционин (Пц) и в ловушку Р 700 (см. рис. 2.12).
Но теперь «дырка» появилась на Р 680 . Эта «дырка» заполняется присоединением электрона от воды. Электрон от молекулы воды образуется под воздействием света (фотоокисление или фотолиз). В результате молекула воды разрушается, образуя протоны и кислород:
Ингибитором этой реакции является диурон (дихлорфенилдиметилмочевина). Растения, обработанные диуроном, гибнут, так как при этом блокируется транспорт электронов от воды, не образуется АТФ и не восстанавливается НАДФ + , а следовательно, невозможно восстановление СО 2 .
Образованные при фотоокислении воды протоны остаются в водной среде тилакоидов хлоропластов, которая включает не только молекулы воды, но также и Н + - и ОН – -ионы. Накопление протонов на внутренней стороне мембраны тилакоидов играет определенную роль в образовании АТФ, о чем разговор пойдет дальше. Этот путь транспорта электронов получил название нециклического.
Нециклический транспорт электронов также связан с синтезом АТФ. Процесс фосфорилирования АДФ с образованием АТФ, связанный с нециклическим транспортом электронов, получил название нециклического фотосинтетического фосфорилирования (см. рис. 2.12).
Таким образом, процессы световой фазы фотосинтеза в общем виде можно записать:
Во время световой фазы происходит перенос электронов от воды (Е = +0,81 В) на НАДФ + (Е = – 0,32 В). Перенос электронов от вещества с более положительным потенциалом к веществу с более отрицательным требует затраты энергии. Используется энергия поглощенного пигментом света. Для транспорта каждого электрона требуется два кванта. Этот перенос электронов против градиента окислительно-восстановительного потенциала и является фотохимической работой.
Следовательно, сущность световой реакции фотосинтеза – вызванный светом последовательный транспорт электронов от одной молекулы к другой, в результате чего образуются АТФ и НАДФН (рис. 2.15).
Так как молекула, которая теряет электрон, окисляется, а которая получает – восстанавливается, то это окислительно-восстановительный процесс. Для транспорта электронов от одного переносчика ко второму, как и для передачи энергии между молекулами пигментов, необходима тщательная упаковка молекул и строгая упорядоченность в их размещении, поэтому световая стадия фотосинтеза связана с тилакоидными мембранами хлоропластов. Кроме этого, с помощью мембран происходит разобщение процессов образования кислорода и мощного восстановителя, в противном случае, они могли бы взаимодействовать.
Основные различия этих двух видов фосфорилирования даны в следующей таблице (табл. 2.4).
Следовательно, в циклическом транспорте электронов участвует только ФС I, в нециклическом – две. ФС I расположена в тилакоидах стромы, а ФС II – только в тилакоидах гран.
Таблица 2.4
Сравнение циклического и нециклического фотофосфорилирования
Электроны, которые поступают от ферредоксина, могут также переноситься и восстанавливать кислород с образованием Н 2 О 2 и в конечном счете Н 2 О. В этом случае функционируют ФС I и ФС II, и поглощаются с использованием восстановленного ферредоксина в особой реакции равные количества кислорода; такой поток электронов получил название псевдоциклического. Хотя при этом потоке электронов отсутствует суммарное изменение состояния кислорода, этот процесс нельзя назвать циклическим, поскольку не происходит циклического переноса электронов по указанному пути.
Синтез АТФ. Энергия, выделяемая при движении электронов от Р 680 (Е = –0,8) до Р 700 (Е = +0,4 В), используется для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата (фотофосфорилирование).
Существуют несколько теорий, разъясняющих механизм фосфорилирования АДФ, сопряженный с работой электрон-транспортной цепи. Наибольшее признание в настоящее время получила хемиосматическая теория английского биохимика П. Митчелла (1961), которая для объяснения процессов фотосинтетического фосфорилирования впервые была использована А. Ягендорфом (1967).
Опыты А. Ягендорфа состояли в следующем (рис. 2.16) . Изолированные из хлоропластов граны с рН 8 помещали в буферный раствор с рН 4. После выдерживании в этом растворе в гранах восстанавливалась величина рН, равная 4. Затем граны с рН 4 переносились в буферный раствор с рН 8. Таким образом, на тилакоидных мембранах искусственно создавался градиент протонов, который обычно формируется при фотохимических процессах (внутри тилакоида – рН 4, снаружи – рН 8). В этих условиях после добавления в среду АДФ и Ф н в темноте синтезировалось АТФ.
Эти эксперименты позволили применить хемиосмотическую теорию Митчелла для объяснения процессов происходящих при фотофосфорилировании в хлоропластах.
В соответствии с этой теорией пластохинон, присоединивший два электрона, присоединяет еще 2Н + протона со стороны стромы хлоропласта и переносит их через мембрану во внутритилакоидное пространство. Протоны накапливаются внутри тилакоида и в результате фотоокисления воды.
Благодаря неравномерному распределению протонов по обеим сторонам мембраны создается разность химических потенциалов ионов водорода и возникает электрохимический мембранный потенциал ионов Н +
включает две составляющие: концентрационную, возникающую в результате неравномерного размещения ионов Н + по обеим сторонам мембраны, и электрическую (ΔΨ), которая обусловлена мембранным потенциалом (рис. 2.16).
Энергия ΔрН и ΔΨ используется для обратного транспорта протонов из внутритилакоидного пространства в строму хлоропласта по особым каналам. С обратным транспортом протонов и связано фосфорилирование АДФ. Реакцию катализирует Н + -АТФ-синтетаза, состоящая из двух частей: водорастворимой каталитической части, расположенной в строме хлоропласта, и мембранной части. Последняя представляет собой протонный канал, по которому протоны могут возвращаться в строму хлоропласта. Фермент Н + -АТФ-синтетаза может синтезировать АТФ пока двигаются протоны. Протоны двигаются, когда их концентрация во внутритилакоидном пространстве большая.
На каждые два электрона, переданных по электрон-транспортной цепи, внутри тилакоида накапливается 4Н + . На каждые 3Н + , возвращающихся назад в строму хлоропласта, синтезируется 1 молекула АТФ.
Таким образом, конечными продуктами световых реакций фотосинтеза является НАДФН и АТФ. Эти соединения используются затем соответственно как восстановительная сила и как источник для превращения СО 2 в сахар. Этапы, из которых складываются эти превращения, известны под общим названием «темновых реакций» фотосинтеза.
Крупнейшим достижением в области фотобиологии явилось открытие А. А. Красновским в 1948 г. реакции обратимого фотовосстановления хлорофилла в эвакуированном пиридиновом растворе в присутствии доноров водорода (аскорбиновая кислота) с образованием розовой формы пигмента с максимумом поглощения при 525 нм. В настоящее время считается общепризнанным, что первичная фотохимическая реакция фотосинтеза - это обратимое окислительно-восстановительное превращение хлорофилла. Квантовый выход реакции фотовосстановления хлорофилла составляет в этанол-водно-пиридиновых и в водно-пиридиновых растворах. Реакция Красновского протекает в несколько стадий:
В присутствии кислорода и других окислителей происходит обратная реакция, в результате которой восстанавливается исходная зеленая окраска раствора:
В анион-радикале электрон делокализован по орбитам системы сопряженных связей хромофорного ядра. Два атома водорода могут присоединяться к хлорофиллу,
по-видимому, различными способами в зависимости от условий среды, о чем свидетельствует выявление нескольких форм различающихся по спектрам поглощения и флуоресценции. Донорами электронов и протонов, кроме аскорбиновой кислоты, могут служить следующие соединения: фенилгидразин, цистеин, -бензилникотинамид, НАДН, цитохром с; акцепторами, кроме кислорода, - различные азокрасители и хиноны, рибофлавин, НАД, НАДФ, виологены и другие вещества.
Реакция обратимого фотовосстановления характерна не только для хлорофилла а, но и для других хлорофиллов и родственных им соединений (хлорофиллы бис, бактериохлорофиллы а и феофитины а и протохлорофиллы, различные порфирины). Она не наблюдается для фикоэритрина и фикоцианина.
В дальнейшем было установлено, что хлорофилл способен и к реакции обратимого фотоокисления в присутствии акцепторов электрона в спиртовых растворах. Такая реакция протекает, например, в присутствии -хинона в вязких средах при температуре . В противоположность деструктивному окислению хлорофилла на интенсивном свету в данном случае добавление восстановителей сопровождается частичной регенерацией исходного пигмента. Начальные стадии фотоокисления описываются следующей схемой:
Чрезвычайно важно, что способность хлорофилла в возбужденном состоянии воспринимать или отдавать электрон обеспечивает его перенос против термодинамического потенциала в тройной молекулярной системе акцептор - хлорофилл - донор, т. е. энергия кванта света с помощью хлорофилла как посредника расходуется и запасается при подъеме электрона с более «низкого» энергетического уровня у донора на более «высокий» у акцептора. Работа хлорофилла как «электронного насоса» доказывается на многочисленных модельных системах. Эффект сенсибилизированного «восходящего» транспорта электрона наблюдается независимо от того, начинается этот процесс с фотовосстановления хлорофилла
(возбужденный хлорофилл воспринимает электрон от донора на основной уровень, ранее занимаемый «возбудившимся» фотоэлектроном, а затем «возбужденный» электрон передается акцептору) или с его фотоокисления («возбужденный» электрон хлорофилла отдается акцептору, затем электрон донора переходит на основной уровень хлорофилла). Указанные взаимоотношения могут быть проиллюстрированы схемой В. Б. Евстигнеева (рис. 14).
Рис. 14. Фотоперенос электрона в тройной системе хлорофилл - окислитель - восстановитель (Евстигнеев В. Б., 1966): а, б - основной и возбужденный электронные уровни хлорофилла; электронные уровни окислителя и восстановителя (I - до освещения, II - после поглощения кваита света пигментом, III - после переходов электрона); индексы 1 (2) и 2 (1) указывают на временную последовательность переходов электрона, при которой хлорофилл окисляется и восстанавливается соответственно
Что будет первичным - восстановление или окисление хлорофилла, определяется природой среды и окислительно-восстановительными свойствами акцепторов и доноров электронов. Действительно, в зависимости от условий кислотно-основного равновесия в тройной системе преобладают то электронно-донорные, то электронно-акцепторные свойства хлорофилла.
Именно благодаря способности к реакции обратимого окисления-восстановления хлорофилл может выполнять функции энергетического фотокатализатора при фотосинтезе, способствуя первичному запасанию энергии света в виде восстановленных интермедиатов.
Хотя бесспорных доказательств протекания реакции обратимого фотовосстановления - фотоокисления самого хлорофилла непосредственно в фотосинтезирующих организмах пока не получено, с этой реакцией могут быть связаны быстрые, обратимые изменения спектров поглощения пигментов, например, в полосе поглощения 890 нм
одной из форм бактериохлорофилла и в полосе поглощения хлорофилла а, наблюдаемые при облучении их лазерными импульсами.
В пользу образования в клетке катион-радикалов хлорофилловых пигментов свидетельствуют и данные электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Фотосигнал ЭПР в Rhodospirillum rubrurn приписан ион-радикалу бактериохлорофилла на основании, во-первых, соответствия между кинетикой ЭПР-сигнала и изменениями в поглощении при как при комнатных, так и при низких (77 К, 4 К) температурах; во-вторых, близости значений редокс-потенциалов свободных радикалов и бактериохлорофилла а.
Из работ Парсона вытекает, что первичная реакция в бактериальном фотосинтезе:
где А?- первичный акцептор электрона невыясненной природы, представляет собой окисление бактериохлорофилла.
Ценная информация о кинетике окислительно-восстановительных превращений в реакционных центрах фотосинтезирующих объектов была получена с помощью лазерной техники. Было обнаружено, например, что скорость переноса электрона в системе донор фотохимически активный хлорофилл акцептор лежит в микросекундном интервале. Так, для пурпурных бактерий время переноса электрона от пигмента к акцептору равно 0,5, а для высших растений - 2 мкс. С такой скоростью перенос электрона от хлорофилла к акцептору осуществляется даже при температуре жидкого азота -196° С), что указывает на его физическую природу. Реакция восстановления фотохимически активного хлорофилла (донор пигмент) протекает с более низкой скоростью: для бактерий и высших растений соответственно. В реакции восстановления удалось вычленить два параллельных пути, один из которых зависит, а другой не зависит от температуры. Предполагается, что восстановление фотохимически активного хлорофилла происходит преимущественно в ходе второй реакции.
Итак, хлорофилловые пигменты в фотосинтезирующих
организмах управляют электронными потоками благодаря непосредственному окислению - восстановлению их, а не за счет физической сенсибилизации (миграция энергии) промежуточных редокс-интермедиатов (И) с передачей электрона переносчику (П) по схеме
Более того, в литературе высказывается предположение, что в одной из двух фотохимических систем первичным является фотовосстановление, в другой - фотоокисление хлорофилла. Например, установлено, что первичной фотохимической реакцией в первой фотосистеме (ФС I) у красных водорослей является окисление активной формы хлорофилла
Таким образом, стыковка между фотофизикой хлорофилла и запасанием поглощенной энергии света в органическом веществе обеспечивается его окислительно-восстановительными превращениями. В результате «холодный» электрон воды превращается в богатый энергией «горячий» электрон НАДФН, молекула которого и удерживает в себе солнечную энергию:
По современным представлениям, отрыв электрона от воды и перенос его к НАДФН - не одноактный, а многоступенчатый процесс последовательных окислительновосстановительных реакций в цепочке (электронный каскад) специализированных веществ - переносчиков электронов.
