Хлорофилл

     Одну  реакцию можно обозначить как  световую, а другую - как темновую. 

                    свет

      4Н2 О                         4[OH]  + 4[H]

               хлорофилл 

     4[H] + CO2 -   [CH2O] + H2O

     4[OH]  -  2H2O + O2

     Таким образом, в результате воздействия света молекулу хлорофилла выделяется энергия, за счет которой происходит расщепление воды с образованием кислорода – это световая стадия фотосинтеза. Затем начинается темновая стадия, во время которой включается ферментная система хлоропластов и происходит взаимодействие СО с акцептором. Образующиеся в результате сахара оттекают от листа к другим органам, а освободившийся кофермент  возвращается к хлорофилльному центру.

     Роль  световой фазы фотосинтеза не только в диссоциации воды. Во время нее образуются также конечные продукты световой фазы – НАДФН (никотинамидадениндинуклеотидфосфат восстановленный) – при реакции восстановления и АТФ – при реакции фосфоллирования:

                +                свет

      НАДФ                                      НАДФН               

     окисленная    хлоропласты      восстановленная 

       форма                                       форма 
 
 
 

                                                   свет

     АДФ         +     Н3РО4                                   АТФ

     Адено-             неорга-       хлоропласты    аденозин-

     зинди-              ничес-                                   три-

     фосфат             кий фосфат                           фосфат 

     Итак, суть световой стадии фотосинтеза состоит  в том, что возбужденные квантами света хлорофиллы и другие пигменты листа последовательно передают электроны от одной молекулы к другой, то есть сводится к окислительно-восстановительным реакциям, при которых молекула, теряющая электрон, окисляется, а получающая – восстанавливается.

     В данном процессе участвуют две пигментные системы, которые составляют реакционный  центр тилакоида и принимают  непосредственное участие в улавливании  световой энергии. Агрегаты молекул  хлорофилла, входящие в реакционный  центр пигментной системы, поглотив свет, передают электроны от донора к акцептору. Путь передачи электронов во время световой стадии сопряжен с процессом фосфоллирования (образования АТФ) и восстановления НАДФН.

     Темновая  стадия фотосинтеза включает множество  реакций и представляет собой путь углерода в метаболизме, зависит от того, сколько АТФ и НАДФН образовалось во время предыдущей световой стадии.

     Темновые  реакции фотосинтеза установлены  М. Кальвином (1956). Они протекают в  определенной последовательности: карбоксилирование, восстановление и регенерация. 
 
 
 

     Цикл  начинается с сахара, имеющего цепочку  из пяти атомов углерода и несущего две фосфатные группы – рибулозо-1,5-бифосфат (и им же кончается). Процесс начинается, когда специальный фермент –  рибулозобифосфаткарбоксилаза – присоединяет к нему молекулу СО2. Образующаяся на короткое время шестиуглеродная молекула немедленно распадается на две молекулы глицерат-3-фосфата (он же 3-фосфоглицерат, с этим веществом мы уже встречались в гликолизе). Каждая из них содержит три атома углерода (поэтому цикл Кальвина называется также C3-путь фиксации углекислого газа).

     Фактически  фиксацию углекислого газа осуществляет именно этот фермент – рибулозобифосфаткарбоксилаза. Это на удивление медленный фермент – он карбоксилирует всего три молекулы рибулозо-1,5-бифосфата в секунду. Для фермента это очень мало! Поэтому самого данного фермента требуется много. Он фиксирован на поверхности тилакоидных мембран и составляет около 50 % от всех белков хлоропласта. Про него известно, что это самый распространенный белок в мире.

     Глицерат-3-фосфат с затратой одной молекулы АТФ  фосфорилируется до дифосфоглицерата. Тот, в свою очередь, дефосфорилируется  до глицеральдегид-3-фосфата, причем в  ходе этой реакции одна молекула восстановленного НАДФ-Н окисляется до НАДФ+. Снова затрата энергии! 

     Получившееся  соединение – глицеральдегид-3-фосфат - образуется в ходе расщепления глюкозы в процессе гликолиза, а именно при расщеплении фруктозо-1,6-бифосфата. Из него же в ходе ферментативных реакций, идущих без затраты энергии, можно получить глюкозу. Некоторые из реакций гликолиза необратимы (а именно те, в ходе которых дефосфорилируется АТФ), поэтому задействуются другие реакции и другие посредники. 

     Казалось  бы, вот и весь фотосинтез. Но для  того чтобы он продолжался, нам нужно каким-то образом регенерировать рибулозо-1,5-бифосфат – основной субстрат фиксирующего углекислый газ фермента. Поэтому на каждые 12 молекул образовавшегося глицеральдегид-3-фосфата только две идут на синтез глюкозы, а 10 направляются на восстановление шести молекул рибулозо-1,5-бифосфата. В этом процессе участвует 12 х 3 = 6 х 5 = 30 атомов углерода, которые перегруппируются из 10 трехуглеродных молекул в 6 пятиуглеродных. При этом на входе мы имеем 10 фосфатных групп (по одной на каждую молекулу глицеральдегид-3-фосфата), а на выходе должны иметь их 12. Однако на всю эту часть процесса дополнительно тратится шесть молекул АТФ.  

     Если  вычесть регенерирующие в ходе цикла  вещества (которые дополнительно  не синтезируются и не тратятся), то суммарное уравнение фиксации углекислоты получается таким:

     6CO2 + 12НАДФ-Н +18 АТФ = 1 глюкоза + 12НАДФ+ + 18АДФ + 18Ф-+ 6H2O 
 

     (здесь  Ф – это свободная фосфорная  группа). 

     Мы  получаем затраты 12 восстановленных  коферментов и 18 АТФ на одну молекулу глюкозы.  

     Выбрав эту систему, зеленые растения расширяли свой ареал и стали выделять в атмосферу кислород, обеспечивая тем самым возможность дальнейшей эволюции живых организмов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Функции хлорофилла. Уровни возбуждения молекулы хлорофилла. 

     Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии.

     Передача  энергии идёт резонансным путём (механизм Фёрстера) и занимает для  одной пары молекул 10−10—10−12 с,  расстояние, на которое осуществляется перенос, составляет около 1 нм. Передача сопровождается некоторыми потерями энергии (10 % от хлорофилла a к хлорофиллу b, 60 % от каратиноидов к хлорофиллу), из-за чего возможна только от пигмента с максимумом поглощения при меньшей длине волны к пигменту с большей. Именно в таком порядке взаимно локализуются пигменты светособирающих комплексов, причём наиболее длинноволновые хлорофиллы находятся в реакционных центрах. Обратный переход энергии невозможен. 

     Светособирающие комплексы растений расположен в мембранах тилакоидов, у цианобактерий основная его часть вынесена за пределы мембран в прикреплённые к ним фикобилисомы — палочковидные полипептидно-пигментные комплексы, в которых находятся различные фикобилины: на периферии фикоэритрины (с максимумом поглощения при 495—565 нм), за ними фикоцианины (550—615 нм) и аллофикоцианины (610—670 нм), последовательно передающие энергию на хлорофилл a (680—700 нм) реакционного центра. 

     Общее содержание хлорофилла в хлоропластах обычно составляет около 5% на сухую массу. Более 99% хлорофилла находится в составе светособирающих пигмент-белковых комплексов, которые выполняют функцию антенны, т. е. поглощают солнечную энергию или акцептируют ее от вспомогательных пигментов — каротиноидов или фикобилинов, а затем транспортируют к реакционным центрам. Менее 1% хлорофилла находится в составе реакционных центров, которые осуществляют запуск цепи фотосинтетического транспорта электронов. У высших растений и водорослей существуют два типа реакционных центров, соответствующих двум фотосистемам хлоропластов (фотосистемы I и фотосистемы II). Реакционные центры фотосистемы I содержат только хлорофилл а, реакционные центры фотосистемы II — хлорофилл а и его безмагниевый аналог — феофитин. Хлорофиллы в и с не входят в состав реакционных центров, выполняя функцию светособирающих антенн. Спектральный анализ показывает, что состояние хлорофилла в фотосинтетическом аппарате существенно отличается от состояния изолированного хлорофилла в растворах из-за пигмент-пигментных и пигмент-белковых взаимодействий. Например, хлорофилл a образует в фотосинтетическом аппарате не менее 10 различных спектральных форм.  

     Поглощая  квант света, изолированная молекула хлорофилла переходит в возбужденное синглетное состояние (время жизни  около 5 нс) и затем дезактивируется  с испусканием кванта флуоресценции (квантовый выход — 20-40%) или заселением долгоживущего (время жизни 1-3 мс) триплетного состояния (квантовый выход — 40-60%). Возбужденные светом молекулы хлорофилла способны переносить электрон от молекулы донора на молекулу акцептора. В растворах хлорофилла этот процесс происходит, главным образом, за счет активности триплетного состояния, так как время жизни и концентрация триплетных молекул в растворах значительно больше, чем синглетных. В фотосинтетическом аппарате за счет наличия организованной структуры энергия возбуждения хлорофилла антенны эффективно захватывается хлорофиллом реакционных центров. Первичными акцепторами возбуждения служат пигменты P680 в реакционных центрах ФС II и P700 — в реакционных центрах ФС I, которые, по-видимому, являются специально организованными димерами хлорофилла. Возбужденные молекулы этих димеров отдают электрон соответствующим акцепторам, включенным в структуру реакционных центров, и тем самым запускают процесс фотосинтетического транспорта электрона. Скорость захвата энергии возбуждения хлорофиллом реакционных центров и ее трансформации в энергию разделенных зарядов очень велика, и поэтому завершается за очень короткое время — 10-50 пс. Вследствие этого разделение зарядов осуществляется синглетно-возбужденными молекулами хлорофилла, а образование триплетных состояний, как значительно более медленный процесс, подавлено примерно на 2 порядка величины. Однако триплетные молекулы хлорофилла образуются в результате обратной рекомбинации разделенных зарядов в реакционных центрах при их перегрузке, т. е. при отсутствии достаточно быстрого оттока электронов из реакционных центров в электрон-транспортную цепь. Кроме хлорофилла антенны и реакционных центров, существует также свободный хлорофилл, который не включен в процессы фотосинтетического транспорта энергии и заряда и эффективно образует триплетное состояние при фотовозбуждении. Концентрация этого хлорофилла составляет несколько десятых долей процента.

       Хлорофилл имеет  два уровня возбуждения (с этим связано наличие двух максимумов на спектре его поглощения): первый связан с переходом на более высокий энергетический уровень электрона системы сопряжённых двойных связей, второй — с возбуждением неспаренных электронов азота и магния порфиринового ядра. При неизменном спине электрона формируются синглетные первое и второе возбуждённое состояние, при изменённом — триплетное первое и второе. 

     Второе  возбуждённое состояние наиболее высокоэнергетично, нестабильно и хлорофилл за 10-12 сек, переходит с него на первое, с потерей 100 кДж/моль энергии только в виде теплоты. Из первого синглетного и триплетного состояний молекула может переходить в основное с выделением энергии в виде света (флуоресценция и фосфоресценция соответственно) или тепла, с переносом энергии на другую молекулу, либо, поскольку электрон на высоком энергетическом уровне слабо связан с ядром, с переносом электрона на другое соединение. 

     Первая  возможность реализуется в светособирающих  комплексах, вторая — в реакционных  центрах, где переходящий в возбужденное состояние под воздействием кванта света хлорофилл становится донором электрона (восстановителем) и передаёт его на первичный акцептор. Чтобы предотвратить возвращение электрона на положительно заряженный хлорофилл, первичный акцептор передаёт его вторичному. Кроме того, время жизни полученных соединений выше, чем у возбуждённой молекулы хлорофилла. Происходит стабилизация энергии и разделения зарядов. Для дальнейшей стабилизации вторичный донор электронов восстанавливает положительно заряженный хлорофилл, первичным донором же является в случае оксигенного фотосинтеза вода. 

     Проблемой, с которой сталкиваются при этом проводящие оксигенный фотосинтез организмы, является различие окислительно-восстановительных  потенциалов воды (для полуреакции  H2O → O2 E0=+0,82 В) и НАДФ+ (E0=-0,32 В). Хлорофилл при этом должен иметь в основном состоянии потенциал больший +0,82 В, чтобы окислять воду, но при этом иметь в возбуждённом состоянии потенциал меньший, чем −0,32 В, чтобы восстанавливать НАДФ+. Одна молекула хлорофилла не может отвечать обоим требованиям. Поэтому сформировалось две фотосистемы и для полного проведения процесса необходимо два кванта света и два хлорофилла разных типов. 

     В результате запускаемого хлорофиллом  электронного транспорта высшие растения, водоросли, цианобактерии и прохлорофитные бактерии осуществляют фоторазложение воды с выделением в атмосферу газообразного кислорода, образование АТФ и фиксацию СО2 с образованием углеводов. Таким образом, свет, поглощенный хлорофиллом, преобразуется в потенциальную химическую энергию органических продуктов фотосинтеза и молекулярного кислорода.