Фотосинтез

 

Поскольку весь кислород фотосинтеза выделяется из воды, общее уравнение фотосинтеза принимает следующий вид:

 

6СО2 + 12Н2О + hν →С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О

 

Вода в правой части уравнения не подлежит сокращению, поскольку ее кислород имеет иной (более тяжелый) изотопный состав (из СО2). Рассмотрение этого уравнения показывает, что фотосинтез — это окислительно-восстановительный процесс, в котором вода окисляется до О2, а углекислый газ восстанавливается до углеводов. Термины «окисление» и «восстановление» являются крайне важными для понимания фотосинтеза. В этой связи важно отметить, что окисление - это не только присоединение кислорода, но и отнятие водорода и потеря электрона, тогда как восстановление — это отнятие кислорода и присоединение водорода или электрона.

 

В 1937 г. Р. Хилл показал, что изолированные хлоропласта на свету в присутствии какого-либо легко восстанавливающегося вещества (акцептора водорода) окисляют воду, при этом кислород выделяется. В качестве акцептора водорода в опытах Хилла был использован хинон. При этом выделение кислорода хлоропластами на свету протекает в отсутствие углекислого газа (реакция Хилла):

 

2H2O + hν → 4H+ +4е - + О2; хинон  + 2Н+ — гидрохинон

 

Дальнейшие исследования показали, что те же самые ингибиторы, которые тормозят реакцию Хилла, приостанавливают и выделение кислорода в процессе фотосинтеза. Это дало основание считать, что световая фаза фотосинтеза включает разложение воды. Эти опыты также ясно показали возможность разделения двух процессов: 1) выделение кислорода; 2) восстановление СО2. Таким образом, в процессе фотосинтеза происходит разложение воды, на что затрачивается энергия света.

 

 В 1950 г. было показано, что вместо искусственных акцепторов  водорода, примененных Хиллом, можно  использовать естественный кофермент  никотинамидадениндинуклеотидфосфат  — НАДФ. Изолированные хлоропласты  на свету восстанавливают НАДФ, одновременно выделяется кислород. Однако сущность происходящих на свету реакций была выяснена лишь в 1954—1958 гг. благодаря работам Д. Арнона.

 

Циклический и нециклический поток электронов.

Фотосинтетическое фосфорилирование

 

Фотохимические реакции фотосинтеза — это реакции, в которых энергия света преобразуется в энергию химических связей, и в первую очередь в энергию фосфорных связей АТФ. Именно АТФ является энергетической валютой клетки, обеспечивающей течение всех процессов. Одновременно под действием света происходит разложение воды, образуется восстановленный НАДФ и выделяется кислород. Энергия поглощенных квантов света стекается от сотен молекул пигментов ССК к одной, характеризующейся поглощением в наиболее длинноволновой части солнечного спектра. Молекула хлорофилла-

ловушки, отдавая электрон акцептору, окисляется. Электрон поступает в электронно-транспортную цепь. Предполагается, что ССК состоит из трех частей: главного антенного компонента и двух фокусирующих, расположенных в двух фотосистемах (рис. 13). Комплекс антенного хлорофилла погружен в толщу мембраны тилакоидов хлоропластов.

 

 

 

Рис.13. Схема функциональной организации пигментов фотосинтеза в светособирающем комплексе обеих антенн, фокусирующих энергию на реакционные центры (ФА I и ФА II), а также на пигменты реакционных центров (РЦ I и РЦ II (по Pashenko, 1981, с изменениями)

 

 

 

Совокупность светофокусирующих (антенных) молекул пигментов и реакционного центра составляет фотосистему. Реакционный центр включает хлорофилл-ловушку а и первичный акцептор электронов. В процессе фотосинтеза принимают участие две фотосистемы.

 

Эмерсон показал, что эффективность света с длиной волны 680 - 700 нм может быть значительно повышена добавлением света с более короткой длиной волны (650—660 нм). Интенсивность фотосинтеза при освещении смешанным светом (с двумя длинами волн) оказалась выше суммы интенсивностей фотосинтеза, наблюдаемой при освещении светом каждой длины волны в отдельности. Это явление называют эффектом усиления или эффектом Эмерсона. Был сделан вывод, что необходимо одновременное световое возбуждение пигментов, различающихся по спектру поглощения. Именно это и привело к понятию о существовании двух фотосистем. Интересно, что эффект усиления наблюдается при изучении фотосинтеза у высших растений и водорослей. У бактерий этот эффект отсутствует и, соответственно, в процессе фотосинтеза участвует одна фотосистема. Установлено,   что   фотосистема I включает светофокусирующие пигменты и реакционный центр I, фотосистема II включает светофокусирующие пигменты и реакционный центр II. Хлорофилл-ловушка фотосистемы I поглощает свет с длиной волны 700 нм (П700), хлорофилл-ловушка фотосистемы II  поглощает свет с длиной волны 680 нм (П680).

По-видимому, свет поглощается раздельно этими двумя фотосистемами и нормальное осуществление фотосинтеза требует их одновременного участия.

 

Перенос по цепи переносчиков включает ряд окислительно-восстановительных реакций. Важно заметить, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос либо атома водорода, либо электрона. При этом молекула, отдающая водород или электрон,

окисляется, а молекула, воспринимающая водород или электрон, восстанавливается. Различают два типа потока электронов — циклический и нециклический. При циклическом потоке электроны, переданные от молекулы хлорофилла первичному

акцептору, возвращаются к ней обратно. При нециклическом потоке

происходит фотоокисление воды и передача электрона от воды

к НАДФ. Выделяемая в ходе окислительно-восстановительных реакций энергия частично используется на синтез АТФ.

 

Процесс преобразования энергии света в энергию АТФ получил название фотосинтетического фотофосфорилирования (Д.Арнон).

 

Соответственно двум типам потока электронов различают циклическое и нециклическое фотофосфорилирование. Общая схема нециклического фотофосфорилирования представлена на рисунке 14. При нециклическом потоке электронов принимают участие две фотосистемы. Как уже упоминалось, энергия квантов света стекается к молекуле пигмента П700, который и выступает в виде ловушки (фотосистема I). Электрон в молекуле П700 переходит на более высокий энергетический уровень (S*1). В основном состоянии окислительно-восстановительный потенциал П700 составляет +0,43 В. Следовательно, тенденция к потере электрона (окислению)  выражена очень слабо. Однако при поглощении кванта света молекула П700 переходит в возбужденное состояние и ее окислительно-восстановительный потенциал изменяется до —0,80 В. Поэтому в возбужденном состоянии молекула П700 легко отдает электрон (фотохимическая реакция). Энергия света изменяет распределение электронов в кольце молекулы хлорофилла 700 и делает один электрон доступным для переноса. При этом энергия квантов сначала переходит в энергию электронного возбуждения, а затем в энергию разделения зарядов. Так, отдавая электрон, молекула  П700окисляется и остается в виде положительно заряженной молекулы

 

Хл +  hν -> Хл*, Хл* → (Хл) + + е -,

 

где Хл* — возбужденная форма хлорофилла, (Хл)+— окисленная

форма хлорофилла.

 

 

 

Рис.14. Схема нециклического транспорта электронов при фотосинтезе

 

 

 

Электрон с первого переносчика передвигается по направлению к НАДФ через ряд переносчиков, расположенных в порядке возрастания О/В потенциала. Электроны спонтанно текут в сторону менее отрицательного окислительно-восстановительного потенциала.

 

 Переносчик, воспринимающий  электрон от П700 (неидентифицированный), передает электрон на железосерные  белки.

 

Следующим переносчиком является железосодержащий белок ферредоксин, (Ео—0,43). Ферредоксин содержит два атома железа в негеминовой форме. От ферредоксина электрон переносится на НАДФ (Ео —0,32). Этот перенос осуществляется с помощью специфического белка-фермеата (ферредоксин-НАДФ-редуктазы), коферментом которого является флавинадениндинуклеотид (ФАД).

 

Отдав электрон, П7оо остается в виде ионизированной молекулы. При этом потенциал П70о становится снова +0,43 В (основное состояние). Благодаря этому он является прекрасным акцептором электронов. Источником электрона, заполняющего эту «дырку», является фотосистема II. Она ответственна за реакции, связанные с разложением воды и выделением кислорода. Ловушкой квантов света в фотосистеме II является молекула хлорофилла, поглощающая

свет с длиной волны — λ 680 (Xл680). Под влиянием поглощенного кванта света возбужденный электрон молекулы Xл680 воспринимается акцептором и передается дальше по цепи переносчиков. Образовавшаяся электронная «дырка» в молекуле Xл680 действует как сильный окислитель и через ряд переносчиков при участии ионов марганца и хлора отнимает электрон от воды. Этот электрон заполняет электронную «дырку» в молекуле Xл680. Происходит фотоокисление воды, и выделяется молекула кислорода:

 

2Н20 свет—> 4Н + + 4 е - + 02

 

Рассмотрим более подробно путь переноса электрона от фотосистемы II к фотосистеме I. Полученные хлорофиллом 680 от воды электроны передаются в электронно-транспортную цепь на молекулу феофитина, затем на пластохиноны, переносящие как электроны, так и протоны. Отсюда электроны передаются через железосерный белок на цитохром. Цитохром f относится к группе цитохромов с (Е0 +0,360). Воспринимая электрон, цитохром восстанавливается:

Fe3+ +е- →Fe2+. Следующий переносчик  — пластоцианин. Отдавая электрон  пластоцианину, цитохром окисляется: Fe2+—е- → Fe3+. Пластоцианин — это  медьсодержащий белок, в котором  на каждую молекулу белка приходится  два атома меди (Ео пластоцианина  + 0,370). От пластоцианина электрон заполняет электронную «дырку» у П7оо.

 

Перенос электрона по цепи переносчиков от фотосистемы II к

фотосистеме I сопровождается аккумуляцией энергии в АТФ (АДФ + Фн -> АТФ). Суммарное уравнение процесса нециклического фотофосфорилирования может быть выражено следующим образом: 2НАДФ + 2Н2О + 2АДФ + 2Н3РО4 + 8 hν → 2НАДФН ++ 2Н++2АТФ + 02.

 

Таким образом, отличительными особенностями нециклического фотосинтетического фосфорилирования являются: 1) окисление двух молекул воды, происходящее в результате воздействия 8 hv света,

 которые улавливаются  двумя фотосистемами; 2) передача  электронов от молекул воды  через электронно-транспортную цепь  на НАДФ. Продуктами процесса  нециклического фотофосфорилирования  являются восстановленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ-Н + Н+) и АТФ. Эти соединения в дальнейшем используются в темновой фазе фотосинтеза.

 

Общая схема циклического фотофосфорилирования дана на рисунке 15. В этом процессе принимает участие лишь фотосистема I. На схеме показано, что в результате поглощения кванта света молекула П700 отдает возбужденный электрон сначала неидентифицированному переносчику, а затем от ферредоксина возвращается к П700.

На участке электронно-транспортной цепи между цитохромом b6 и цитохромом f энергия электрона аккумулируется в энергию АТФ. Предполагается, что на этом участке в цепь переносчиков включается пластохинон. Таким образом, в этом  случае П700 является и донором, и акцептором электрона. Суммарное уравнение циклического фотосинтетического фосфорилирования выглядит следующим образом: АДФ + НзРО4 +hν → АТФ + Н2О.

 

 

 

Рис.15. Схема циклического транспорта электронов при фотосинтезе

 

 

 

Нециклическое и циклическое фотосинтетическое фосфорилирование принято включать в световую фазу фотосинтеза, однако свет необходим только на первых этапах этих процессов. Перенос электрона по цепи переносчиков может происходить в темноте. При рассмотрении приведенных схем надо учитывать, что в зависимости от условий физического состояния хлоропластов расположение и набор переносчиков в электронно-транспортной цепи могут меняться.

 

Как же осуществляется связь между переносом возбужденного светом электрона по цепи переносчиков и образованием АТФ за счет выделяющейся при этом энергии? Наибольшее признание получила хемиосмотическая гипотеза, выдвинутая английским ученым Митчеллом. Переносчики электронов (электронно-транспортная цепь) локализованы в мембранах определенным образом. При этом последовательно чередуются переносчики электронов (цитохромы) с переносчиками электрона и протона (пластохиноны) (рис. 16).

 

 

 

 

 

 

 

Рис.16. Схема образования мембранного потенциала и переноса протонов во внутритилакоидное пространство: Фд – ферредоксин, Пц- пластоцианин, PQ – пластохинон, В 559 цит. f-  цитохром

 

 

 

При поглощении двух квантов света два электрона (поочередно) высвобождаются из Хл68о, пересекают мембрану и замещаются электронами из молекул воды. При этом протоны (из воды) выделяются во внутреннее пространство тилакоида, а атом кислорода диффундирует из хлоропласта. Электроны от Хл 680 передаются на акцептор, расположенный на наружной поверхности мембраны тилакоида. Этим акцептором является пластохинон (PQ). Пластохинон — производное хинона, в полностью окисленном состоянии содержит два атома кислорода, соединенных с углеродным кольцом двойными связями. В полностью восстановленном состоянии атомы кислорода в бензольном кольце соединяются с атомами водорода:

 

 

 

 

 

 

Таким образом, пластохинон присоединяет не только электроны, но и протоны. В результате этого к пластохинону с двумя электронами (от Хл 680) присоединяются два протона (2Н+) из стромы, соприкасающиеся с наружной стороной мембраны тилакоида. Пластохинон подвижен в толще мембраны. Передвигаясь на ее внутреннюю сторону, пластохинон передает электроны цитохрому (который воспринимает только электрон), а протоны выделяются в пространство внутри тилакоида. Таким образом, при переносе пары электронов от Хл68о на Хл7оо во внутреннем пространстве тилакоидов накапливается четыре протона. В результате активного переноса протонов из стромы во внутритилакоидное пространство на мембране создается электрохимический потенциал водорода (∆ μ Н+), имеющий две