Хлорофилл

     Фотосистемы и их роль в усвоении солнечной энергии. 

     В зеленых растениях основное значение имеет перенос энергии внутри группы  хлорофиллов. Хлорофиллы поглощают красный и сине-фиолетовый свет, отражают зеленый и поэтому придают растениям характерную зеленую окраску. Молекулы хлорофилла в мембранах тилакоидов организованы в фотосистемы. У растений и синезеленых водорослей имеются фотосистема-1 и фотосистема–2, а у фотосинтезирующих бактерий фотосистема-1. Только фотосистема-2 может разлагать воду с выделением кислорода и отбирать электроны у водорода воды.   Если молекула непосредственно связана с акцептором, возникает разделение электронного возбуждения на заряды, в результате которого электрон передается акцептору, а положительный заряд остается на хлорофилле. Акцепторами электронов являются хиноны (пластохиноны), НАДФ, тиаминлипоевая кислота, причем хлорофилл остается в окисленном состоянии, а акцептор – в восстановленном. Сосредоточение гемпротеидов в водно-белковой фазе и хинонов в липоидной фазе хлоропластов способствует пространственному разделению восстановленных и окисленных веществ по обе стороны пигментного слоя или фотосинтетической единицы.

     Фотосинтетическая единица – это система из нескольких сотен молекул хлорофилла а, собирающих энергию световых квантов и передающих ее фотохимическому активному центру, в котором происходит первичное разделение окислительно-восстановительного потенциала и перенос электронов на две фотохимические системы. Эти системы взаимодействуют друг с другом, участвуют в ассимиляции углекислого газа и выделение кислорода с использованием восьми квантов света.

     Фотосистема — совокупность светособирающего комплекса, фотохимического  реакционного центра и переносчиков электрона. 

     Пигменты  фотосинтеза располагаются на внутренней стороне мембраны тилакоидов. Они  организованы в фотосистемы –  целые антенные поля по улавливанию  света – каждая система содержит 250–400 молекул разных пигментов. Но среди них принципиальное значение имеет одна молекула хлорофилла а – она называется реакционным центром фотосистемы. Все остальные молекулы пигментов называются антенными молекулами. Все пигменты в фотосистеме способны передавать друг другу энергию возбужденного состояния. Энергия фотона, поглощенная той или иной молекулой пигмента, переносится на соседнюю молекулу, пока не достигнет реакционного центра. Когда резонансная система реакционного центра переходит в возбужденное состояние, она передает два возбужденных электрона молекуле-акцептору и тем самым окисляется и приобретает положительный заряд.  

     У растений существует две фотосистемы  – 1 и 2. Молекулы их реакционных центров  несколько различаются – первая имеет максимум поглощения света  на длине волны 700 нм, вторая – 680 нм (оговорка сделана для того, чтобы пояснить изображения на схемах), обозначаются они Р700 и Р680. (Различия в оптимумах поглощения обусловлены небольшими различиями в структуре пигментов.) Обычно эти две системы работают, сопряжено, как конвейер, состоящий из двух частей и называющийся нециклическим фотофосфорилированием.  
 

     Еще одна схема: 
 
 
 

     Производственный  цикл начинается с фотосистемы 2. С  ней происходит следующее: 

     1) антенные молекулы улавливают  фотон и передают возбуждение молекуле активного центра Р680; 

     2) возбужденная молекула Р680 отдает  два электрона кофактору Q (очень  похожий на тот, который участвует  в цепи переноса электронов  в митохондриях), при этом она  окисляется и приобретает положительный  заряд; 

     3) под действием определенных ферментов, содержащих марганец, окисленная молекула Р680 восстанавливается, отнимая два электрона от молекулы воды. При этом вода диссоциирует на протоны и молекулярный кислород. Для создания одной молекулы кислорода нужно восстановить две молекулы Р680, потерявшие в сумме четыре электрона, при этом образуются четыре протона. 

     Обратим внимание – именно здесь в ходе фотосинтеза образуется кислород. Поскольку  он образуется путем расщепления  молекул воды под действием света, этот процесс называется фотолизом воды; 

     4) эти протоны образуются во  внутреннем пространстве тилакоида,  где создается избыточная концентрация  протонов по сравнению с окружающим  пространством (т. е. более кислая  среда). Таким образом, формируются  наши старые знакомые – протонный градиент и мембранный потенциал. Мы уже знаем, как все это будет использовано: АТФ-синтетаза будет парами выпускать протоны наружу и синтезировать АТФ из АДФ. Обратим внимание на одно кажущееся отличие от митохондрий – при окислительном фосфорилировании в митохондриях протоны выкачиваются из пространства, ограниченного внутренней митохондриальной мембраной, и входят обратно через АТФ-синтетазу. В нашем случае протоны закачиваются во внутреннее пространство тилакоида и выходят оттуда через АТФ-синтетазу. Однако внутреннее пространство тилакоида соответствует пространству между двумя мембранами хлоропласта – это как бы отшнуровавшиеся складки (подобные кристам митохондрий) внутренней мембраны; 

     5) между тем два электрона, поступившие  к кофактору Q, передаются далее по цепочке белков, которая очень похожа на цепь переноса электронов. В ней тоже участвуют хиноны, цитохромы – белки, содержащие гем в комплексе с атомом железа, белки, содержащие железо и серу, хлорофилл и пластоцианин – фермент, содержащий медь. И прохождение электронов по ней также сопровождается транспортом протонов против градиента концентрации сквозь мембрану тилакоидов, что опять-таки льет воду на мельницу АТФ-синтетазы; 

     6) в конце концов, электроны поступают  от пластоцианина к реакционному центру фотосистемы 1 – молекуле Р700.  

     В фотосистеме 1 происходит следующее: 

     1) антенные молекулы ловят фотон  и передают энергию в резонансную  систему реакционного центра  Р700, который возбуждается и отдает  два электрона акцепторному железосодержащему белку (Р430). Как и в случае фотосистемы 2, Р700 тем самым окисляется и приобретает положительный заряд; 

     2) эта молекула восстанавливается  и теряет заряд, получив два  «успокоившихся» (но не до исходного  состояния – их энергия еще  не до конца израсходована!) электрона, изначально поступивших от фотосистемы 2. В этом случае необходимости в фотолизе нет и его не происходит; 

     3) Р430 отдает электроны другому  железосодержащему белку, который  называется ферродоксин; 

     4) получив электроны, этот белок  восстанавливает кофермент НАДФ+ до НАДФ-Н. Данный кофермент представляет собой фосфорилированный НАД. Процесс происходит на внешней мембране тилакоида. Для него необходим протон, который берется из внутреннего пространства хлоропласта, внешнему по отношению к тилакоиду. Тем самым протонный градиент только усиливается.  

     Последний этап нам напоминает то, как НАД-Н окислялся до НАД+ и отдавал электроны по цепи переноса электронов. Только тут все происходит в обратном порядке. Там НАД-Н передавал энергию электрону, который ее терял, проходя по цепи переноса электронов. А здесь, наоборот, электрон, возбужденный энергией солнечного света, накопленной двумя последовательно сопряженными фотосистемами, передает ее НАДФ+, восстанавливая его до НАДФ-Н. 

     Действительно, вся световая фаза фотосинтеза похожа на окислительное фосфорилирование в митохондриях тем, что в ходе него по сходной цепи белков передаются электроны, в результате чего в некоем ограниченном мембраной пространстве – в данном случае внутреннем пространстве тилакоида – создается избыточная концентрация протонов, а на мембране – разность потенциалов. Возникающая потенциальная энергия электростатических сил используется для синтеза АТФ за счет движения протонов по градиенту, осуществляемого АТФ-синтетазой. Отличие от окислительного фосфорилирования состоит в том, что если там для возбуждения электронов использовалась восстановленная молекула НАД-Н, то здесь для этого используется свет, а НАДФ+, наоборот, восстанавливается и используется в темновой стадии фотосинтеза (а может быть далее использован и в тех же митохондриях). В целом получается, что протоны образуются во внутреннем пространстве тилакоида при фотолизе воды, закачиваются туда же в ходе работы фотосистемы 2 и черпаются из внешнего пространства тилакоида для восстановления НАДФ+ до НАДФ-Н, через посредство которого водород поступает в синтезируемые в ходе фотосинтеза углеводы.

     Фотосистема 1 может работать и автономно. При этом используется обходной путь переноса электронов от возбужденного реакционного центра – а именно та же цепь переноса электронов, которая ведет из фотосистемы 2. Электроны проходят по ней, вызывая сопряженный транспорт протонов из внешней среды тилакоида во внутреннюю, чем усиливается протонный градиент, и возвращаются обратно к реакционному центру фотосистемы 1 – Р700. Таким образом, здесь свет словно крутит колесо протонного насоса, не окисляя воды и не восстанавливая НАДФ. Это называется циклическим фотофосфорилированием . Оно может идти параллельно с нециклическим. Кроме того, оно используется некоторыми фотосинтетическими бактериями, которые в процессе фотосинтеза не выделяют кислорода. 
 
 

     Результат световой фазы фотосинтеза при нециклическом  фотофосфорилировании  можно записать в виде такой реакции: 

     2НАДФ+ 2АДФ + 2Ф- + 2H2O + 4 hv = 2НАДФ-Н + 2АТФ + O2. 

     Здесь hv - условное обозначение энергии  одного фотона, Ф - условное обозначение  остатка фосфорной кислоты из раствора. Приблизительный он потому, что, как и при окислительном  фосфорилировании, количество АТФ, синтезируемое  АТФ-синтетазой, не связано жесткой зависимостью от количества электронов, пропущенных по цепочке белков в фотосистеме II.  

     Итак, мы рассмотрели, откуда в ходе фотосинтеза  берется энергия (т. е. АТФ). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Белок родопсин. Бактерии, у которых есть белок родопсин. 

     Родопсин (устаревшее, но до сих употребляющееся название — зрительный пурпур) — основной зрительный пигмент. Содержится в палочках сетчатки глаза морских беспозвоночных, рыб, почти всех наземных позвоночных и человека. Относится к сложным белкам хромопротеинам. Модификации белка, свойственные различным биологическим видам, могут существенно различаться по структуре и молекулярной массе. 

     Функции родопсина

     Под действием света светочувствительный  зрительный пигмент изменяется и  один из промежуточных продуктов его превращения непосредственно ответствен за возникновение зрительного возбуждения. Зрительные пигменты, содержащиеся в наружном сегменте фоторецепторной клетки, представляют собой сложные окрашенные белки (хромопротеиды). Та их часть, которая поглощает видимый свет, называется хромофором. Это химическое соединение — альдегид витамина А, или ретиналь. Белок зрительных пигментов, с которыми связан ретиналь, называется опсином. 

     При поглощении кванта света (фотона) хромофорная  группа белка (11-цис-ретиналь) изомеризуется в трансформу. Возбуждение зрительного нерва происходит при фотолитическом разложении родопсина за счёт изменения ионного транспорта в фоторецепторе. Впоследствии родопсин восстанавливается (регенерирует) в результате синтеза 11-цис-ретиналя и опсина или в процессе синтеза новых дисков наружного слоя сетчатки. 

     Родопсин  относится к суперсемейству трансмембранных  рецепторов GPCR (рецепторов, связанных с G-белками). При поглощении света конформация белковой части родопсина меняется, и он активирует G-белок трансдуцин, который активирует фермент цГМФ-фосфодиэстеразу. В результате активации этого фермента в клетке падает концентрация цГМФ и закрываются цГМФ-зависимые натриевые каналы. Так как ионы натрия постоянно выкачиваются из клетки АТФ-азой, концентрация ионов натрия внутри клетки падает, что вызывает её гиперполяризацию. В результате фоторецептор выделяет меньше тормозного медиатора глутамата, и в биполярной нервной клетке, которая «растормаживается», возникают нервные импульсы. 

     Спектр  поглощения родопсина

     Специфический спектр поглощения зрительного пигмента определяется как свойствами хромофора  и опсина, так и характером химической связи между ними. Этот спектр имеет два максимума — один в ультрафиолетовой области (278 нм.), обусловленный опсином, и другой — в видимой области (около 500 нм.), — поглощение хромофора. Превращение при действии света зрительного пигмента до конечного стабильного продукта состоит из ряда очень быстрых промежуточных стадий. Исследуя спектры поглощения промежуточных продуктов в экстрактах родопсина при низких температурах, при которых эти продукты стабильны, удалось подробно описать весь процесс обесцвечивания зрительного пигмента. 

     В живом глазу наряду с разложением  зрительного пигмента, естественно, постоянно идёт процесс его регенерации (ресинтеза). При темновой адаптации этот процесс заканчивается только тогда, когда весь свободный опсин соединился с ретиналем.

     Дневное и ночное зрение 

     Из  спектров поглощения родопсина видно, что восстановленный родопсин (при слабом «сумеречном» освещении) отвечает за ночное зрение, а при дневном «цветовом зрении» (ярком освещении) разлагается и максимум его чувствительности смещается в синюю область. Полное восстановление родопсина у человека занимает около 30 минут.