Световая и темновая стадии фотосинтеза

Обмен углеводов

Фотосинтез

По современным представлениям фотосинтез – это эндергонический окислительно-восстановительный процесс образования в клетках фотосинтезирующих организмов органических веществ из диоксида углерода и воды за счёт поглощения и использования энергии солнечного света. В ходе фотосинтеза, кроме синтеза органических веществ, в результате химических реакций происходит разложение молекул воды и выделение в атмосферу кислорода, обеспечивая таким образом существование на Земле аэробных организмов, включая человека и животных. Фотосинтезирующие организмы поглощают из биосферы ежегодно около 75 млрд. т углерода, из которого образуют до 200-240 млрд. т органических веществ (в расчёте на сухую массу) и при этом выделяют в атмосферу до 100-120 млрд. т кислорода.

К фотосинтезирующим (фототрофным) организмам относятся высшие растения, сине-зелёные водоросли, а также зелёные и пурпурные бактерии. Благодаря их деятельности осуществляется первичный синтез органических веществ, которые в дальнейшем используются как источники энергии и углерода для гетеротрофных организмов. За счет фотосинтеза формируется урожай сельскохозяйственных, технических и лекарственных культур, создается биомасса лесов, пастбищ и растительной флоры морей и океанов. Из продуктов фотосинтеза в толще Земли образовались важнейшие топливные ресурсы, которые составляют основу энергетики и используются как сырьё для перерабатывающей промышленности. В ходе фотосинтеза из атмосферы постоянно происходит поглощение СО₂, вследствие чего предотвращается создание избыточной концентрации диоксида углерода, что имеет важное значение в регулировании теплового режима биосферы Земли.

О космической роли фотосинтеза впервые было дано научно подтверждённое объяснение в трудах К.А. Тимирязева, который показал, что в поглощении солнечного света растениями участвуют молекулы хлорофилла. Он отметил, что именно с помощью фотосинтеза происходит улавливание солнечной энергии и превращение её в химическую, тепловую и другие формы энергии. Работам К.А. Тимирязева предшествовали открытия других учёных, внесших большой вклад в изучение процесса фотосинтеза: Пристли Дж., Сенебье Ж., Соссюр Т., Пельтье П.Ж., Сакс Ю.

Световая фаза фотосинтеза

Пигменты фотосинтеза. В поглощении света принимают участие специальные фотосенсорные структуры фотосинтезирующих клеток, важнейшими компонентами которых являются химические соединения, относящиеся к классу пигментов. Они представлены тремя группами веществ - хлорофиллами, каротиноидами и фикобилинами.

Хлорофиллы имеют структурное сходство с гемами. Основу строения их молекулы, как и в гемах, составляет порфириновое ядро, включающее четыре пиррольных кольца, соединенных метеновыми группировками. Атомы азота пиррольных колец образуют четыре координационные связи с атомом магния, занимающим центральное положение в молекуле хлорофилла. Кроме того, к пиррольному кольцу III порфиринового ядра хлорофилла присоединена кольцевая структура V, содержащая карбонильную

(=С=О) и метилированную карбоксильную (–С–О–СН₃) группы. С атомами

‖

О

углерода пиррольных колец, не участвующими в образовании порфиринового ядра, связаны определённые боковые радикалы, которые различаются у разных форм хлорофилла, обозначаемых латинскими буквами – a, b, с, d. При обработке хлорофиллов слабой кислотой происходит замещение в их молекулах катионов Mg²⁺ на катионы Н⁺, в результате чего образуются соответствующие производные, называемые феофетинами. У большинства хлорофиллов к карбоксильной группе, соединённой с пиррольным кольцом IV, сложноэфирной связью присоединяется остаток спирта фитола, имеющего следующее строение:

Н(СН₂–СН–СН₂–СН₂)₃–СН₂–С=СН–СН₂ОН

| |

СН₃ СН₃

При удалении путём гидролиза сложноэфирной связи остатка фитола из молекулы хлорофилла образуется производное, называемое хлорофиллидом, а при одновременном гидролизе связи, соединяющей окисиметильную группу с карбоксилом циклической структуры V, возникают производные - хлорофиллины.

Хлорофилл а содержится в фотосинтезирующих клетках растений, водорослей и цианобактерий. У Хлорофилла b в отличие от хлорофилла а во втором пиррольном кольце метильная группа замещена на формильную

группу (–С=О). Эта форма хлорофилла представлена у высших растений,

‌

Н

зеленых и эвгленовых водорослей.

Бурые и диатомовые водоросли вместо хлорофилла b содержат хлорофилл с, а многие красные водоросли – хлорофилл d, который отличается от хлорофилла а тем, что у него виниловая группировка в пиррольном кольце I замещена на формильную. В клетках фотосинтезирующих бактерий содержатся бактериохлорофиллы.

 

Хлорофилл а Одна из форм хлорофилла с

Молекулы хлорофилла имеют систему сопряжённых двойных связей, включающую 18 подвижных р -электронов, что позволяет им легко осуществлять переход в возбуждённое состояние при поглощении квантов света. Под воздействием кванта красного света один из электронов в молекуле хлорофилла перемещается на более высокоэнергетическую орбиталь, вследствие чего молекула хлорофилла переходит в синглетное возбужденное состояние, которое характеризуется тем, что направление спина у возбуждённого электрона не изменяется. В возбужденном синглетном состоянии молекула хлорофилла находится 10^-12–10^-9 секунды, затем она возвращается в основное синглетное состояние, отдав энергию возбуждения в ви-де тепла, флуоресценции или передавая её другим молекулам хлорофилла.

При поглощении кванта синего света, обладающего большей энергией по сравнению с красным светом (1 моль квантов синего света - 260, красного - 176 кДж), один из электронов в молекуле хлорофилла переходит на ещё более высокоэнергетическую орбиталь, переводя молекулу во второе возбужденное синглетное состояние, в котором она находится 10^-13 секунды и затем, отдав часть энергии в виде тепла, переходит в первое возбуждённое синглетное состояние, а далее указанным выше путём возвращается в основное синглетное состояние.

Из возбуждённого синглетного состояния молекула хлорофилла, потеряв часть энергии возбуждения в виде тепла, может переходить в триплетное состояние, которое сопровождается обращением спина возбуждённого электрона. Из триплетного состояния молекула хлорофилла далее возвращается в основное синглетное состояние, излучая энергию возбуждения в виде фосфоресценции или отдавая её другим молекулам хлорофилла.

У растений хлорофилл содержится в мембранах хлоропластов, называемых ламеллами. Во многих участках хлоропласта ламеллы образуют уплотнения в виде стопки дисков, которые называют гранами (рис. 30). Мембранные структуры в составе гран (тилакоиды) имеют внешний слой, состоящий из белков, и внутренний липидный слой, включающий хлорофилл и другие пигменты. Магнийпорфириновое кольцо молекулы хлорофилла представляет собой плоскостную структуру, обладающую гидрофильными свойствами, а остаток фитола – гидрофобная часть, способная взаимодействовать с мембранными липидами. За счёт гидрофильного участка молекулы хлорофилла образуют комплексы с белками в составе тилакоидов.

Как указывалось ранее, в хлоропластах растений содержатся две формы хлорофилла – хлорофилл а и хлорофилл b, которые имеют максимумы поглощения в красной и синей областях спектра (рис. 31). Хлорофилл а при растворении в диэтиловом эфире дает сине-зелёное окрашивание и имеет максимумы поглощения при длинах волн 662 нм и 429 нм, хлорофилл b – жёлто-зелёную окраску и максимумы поглощения – при 643 нм и 453 нм.

Однако в клетках листа молекулы хлорофилла образуют агрегированные комплексы с белками, липидами и другими молекулами пигментов, поэтому их максимумы поглощения смещаются от тех значений, которые определены для чистых растворов хлорофилла. Так, например, в ходе исследований выявлены разные формы хлорофилла а с максимумами поглощения в красной части спектра в интервале длин волн 660-700 нм. Присутствие разных форм хлорофилла в структуре хлоропластных мембран расширяет диапазон длин волн, при которых происходит поглощение солнечного света растениями.

Молекула хлорофилла b в возбужденном состоянии способна передавать энергию возбуждения по принципу индуктивного резонанса другой молекуле хлорофилла без инициирования излучения в виде флуоресценции. Это оказывается возможным, если взаимодействующие молекулы находятся на близком расстоянии (< 10 нм) и спектр флуоресценции молекулы-донора перекрывается со спектром поглощения молекулы-акцептора. Вокруг возбуждённой молекулы, поглотившей квант света, возникает переменное электрическое поле, которое воздействует на соседнюю молекулу, индуцируя её переход в возбужденное синглетное состояние, при этом исходная молекула-донор переходит в основное синглетное состояние.

Получившая возбуждение новая молекула хлорофилла по указанному выше механизму передает энергию возбуждения следующей молекуле, у которой спектр поглощения перекрывается со спектром флуоресценции возбуждённой молекулы. Учитывая, что спектры флуоресценции молекул смещены от спектров поглощения в длинноволновую сторону (согласно правилу Стокса), перенос энергии возбуждения осуществляется от молекул с более коротковолновыми максимумами поглощения, имеющих больший запас энергии в возбуждённом синглетном состоянии, к молекулам, которые поглощают свет в длинноволновом диапазоне и имеют меньший запаса энергии в возбуждённом синглетном состоянии. Скорость резонансного переноса энергии между молекулами хлорофилла соизмерима со временем нахождения молекулы в возбуждённом синглетном состоянии, а эффективность переноса энергии возбуждения приближается к 100 %.

Молекулы хлорофилла а, имеющие максимумы поглощения в наиболее длинноволновой части спектра, не способны передавать энергию по принципу индуктивного резонанса другим молекулам хлорофилла, однако они образуют в комплексе со специфическими белками так называемые реакционные центры, в которых осуществляется перенос электрона от возбуждённой молекулы хлорофилла на соответствующий акцептор. Различают два типа реакционных центров, в составе одного из них содержится длинноволновая форма хлорофилла а, обозначаемая индексом Р₇₀₀, а в другом – длинноволновая форма хлорофилла а, обозначаемая индексом Р₆₈₀. В названиях индексов числа 700 и 680 указывают длину волны максимумов поглощения данных пигментов в красной части спектра. На каждую молекулу пигментов Р₇₀₀ и Р₆₈₀, входящих в состав реакционных центров, в структуре хлоропластных мембран имеются по 120–240 других молекул хлорофилла, способных поглощать кванты света и переводить энергию возбуждения на реакционный центр.

Молекулы хлорофилла b с максимумом поглощения при 650 нм так же, как и хлорофилл а, при поглощении квантов света переходят в возбуждённое синглетное состояние и передают энергию возбуждения на хлорофилл а. В составе молекул хлорофилла, передающих энергию возбуждения на реакционные центры, число молекул хлорофилла b обычно составляет 42-45 %.

Наряду с хлорофиллами активную роль в процессе фотосинтеза играют каротиноиды, которые представлены в фотосинтезирующих организмах двумя группами – каротинами и ксантофиллами. Каротины (С₄₀Н₅₆) - пигменты оранжевого или красного цвета, хорошо растворяются в эфире, но почти не растворимы в спиртах. Важнейшим представителем этой группы является b-каротин, который в значительном количестве содержится в пластидах высших растений и водорослей, однако он не заметен вследствие зелёного цвета хлорофилла. Однако в осенний период, когда хлорофилл подвергается интенсивному распаду, именно каротины и ксантофиллы окрашивают листья растений в жёлто-оранжевый цвет.

Молекула b-каротина построена из восьми остатков изопрена, образующих систему сопряжённых двойных связей. Причем остатки изопрена на концах молекулы подвергаются циклизации, образуя две циклические структуры b-ионона (стр…). В небольшом количестве в растениях содержится также a-каротин, который отличается от b-каротина тем, что в одной из концевых циклических структур двойная связь смещена на один углеродный атом к началу цепи, вследствие чего на одно звено укорачивается система сопряжённых двойных связей. В мембранных структурах зелёных серных бактерий содержится g-каротин, у которого изопреновые остатки на одном из концов молекулы не подвергаются циклизации.

Ксантофиллы (С₄₀Н₅₆О₂, С₄₀Н₅₆О₄) – жёлтые пигменты, являющиеся кислородными производными каротинов. Они хорошо растворяются в спиртах и значительно хуже в эфире. Из ксантофиллов в растениях наиболее распространены лютеин, зеаксантин и виолаксантин.

В результате окисления a-каротина образуется важнейший представитель ксантофиллов лютеин, у которого к каждому иононовому кольцу присоединяется по одной гидроксильной группе.

 

 

лютеин

При окислении b-каротина синтезируется зеаксантин, имеющий так же, как и лютеин, в составе каждого иононового кольца по одной гидроксильной группе.

 

зеаксантин

В результате присоединения атомов кислорода к двойным связям в составе концевых циклических структур происходит превращение зеаксантина в виолаксантин.

 

 

виолаксантин

У эвгленовых водорослей из ксантофиллов преобладает антераксантин, у бурых и диатомовых водорослей – фукоксантин и зеаксантин, у пурпурных серных бактерий – спириллоксантин. Всего в группе каротиноидных пигментов насчитывается около 400 разновидностей, которые выполняют в организмах целый ряд важных функций.

Каротиноиды поглощают кванты света в синей и сине-фиолетовой частях спектра в интервале длин волн 400-500 нм, то есть в той области спектра, в которой слабо поглощают молекулы хлорофиллов. Однако при поглощении квантов света только каротины способны передавать энергию возбуждения молекулам хлорофилла а, от которых она далее переносится на реакционные центры. Как и хлорофиллы, молекулы каротинов могут образовывать агрегированные комплексы с белками и липидами хлоропластных мембран. Таким образом, каротины в комплексе с хлорофиллами выполняют важную функцию поглощения солнечной энергии и передачи её посредством механизма индуктивного резонанса на реакционные центры.

Кроме того, каротиноиды выполняют еще одну функцию в процессе фотосинтеза. Они защищают от фотоокисления молекулы хлорофилла образующимся в ходе фотосинтеза кислородом. Показано, что каротиноиды взаимодействуют с хлорофиллом, находящимся в триплетном возбуждённом состоянии, при этом молекула хлорофилла переходит в основное синглетное состояние, а каротиноид – в возбуждённое триплетное состояние. После этого молекула каротиноида, выделив теплоту, возвращается в исходное синглетное состояние. Одновременно молекулы каротиноидов способны реагировать с кислородом, находящимся в возбуждённом синглетном состоянии, и ускорять его перевод в основное синглетное состояние. При этом молекулы каротиноидов вначале переходят в возбуждённое триплетное состояние, а затем, выделив теплоту, возвращаются в исходное синглетное состояние.

В клетках некоторых водорослей кроме хлорофилла и каротиноидов содержатся пигменты фикобилины. Как и в молекулах хлорофиллов, фикобилины включают четыре пиррольные группировки, но соединённые в открытую цепь. В своем составе они не содержат магния и остатка фитола. У красных водорослей преобладает разновидность фикобилинов - фикоэритробилин, у синезелёных – фикоцианобилин. Фикоэритробилин отличается от фикоцианобилина строением правой концевой группировки.

 

фикоцианобилин в фикоэритробилине

Фикобилины прочно соединяются ковалентными связями со специфическими белками, образуя фикобилипротеиды, которые имеют максимумы поглощения от 500 до 650 нм. Фикобилипротеиды, включающие пигмент фикоэритробилин, получили название фикоэритринов, а белки, содержащие фикоцианобилин, – фикоцианинов. Фикобилипротеиды в клетках водорослей находятся в особых гранулах – фикобилисомах, расположенных на наружной поверхности фотосинтетических мембран.

В мембранах хлоропластов

В опытах Эмерсона Р. и др. (1957 г.) по изучению действия монохроматического света разной длины волны на интенсивность фотосинтеза у хлореллы было выяснено, что максимальная скорость фотохимических реакций наблюдается при одновременном освещении этих водорослей красным светом с длинами волн 650 нм и 680 нм, тогда как эффективность света каждой из указанных длин волн в отдельности оказалась более низкой. Обнаруженное явление в дальнейшем назвали эффектом Эмерсона. Оно позволило исследователям предположить о существовании в хлоропластах двух взаимодействующих между собой фотохимических систем – фотосистемы I и фотосистемы II, представляющих собой белково-пигментные копмлексы, которые в определённом порядке входят в структуру хлоропластных мембран. С помощью современных методов указанные белково-пигментные комплексы выделены из хлоропластов растений и достаточно хорошо изучены.

В состав белково-пигментного комплекса фотосистемы I входят:

димер пигмента Р₇₀₀ и мономер хлорофилла а₆₉₅, образующих реакционный центр;

светоулавливающий комплекс пигментов (около 300 молекул), включающий хлорофилл а с максимумами поглощения 675-695 нм, хлорофилл b и каротиноиды;

железо-серные белки, имеющие группировки атомов 4Fe4S.

Молекулы пигментов светоулавливающего комплекса поглощают кванты света, переходят в возбуждённое состояние и передают энергию возбуждения с помощью механизма индуктивного резонанса на пигмент Р₇₀₀, входящий в состав реакционного центра фотосистемы I. Молекула пигмента Р₇₀₀, находящаяся в возбуждённом синглетном состоянии, далее взаимодействует с первичным акцептором электронов хлорофиллом а₆₉₅, передавая ему один электрон. При этом пигмент Р₇₀₀ переходит в окисленное состояние (Р⁺₇₀₀), а хлорофилл а₆₉₅ – в восстановленное состояние (а ^-₆₉₅). Перевод пигмента Р₇₀₀ в исходное восстановленное состояние происходит за счёт передачи электрона из фотосистемы II, а у фотосинтезирующих бактерий источниками электронов для восстановления реакционного центра фотосистемы I используются электроны, образующиеся при окислении H₂S, H₂, углеводородов и других органических веществ.

Восстановленная форма хлорофилла а₆₉₅ передаёт электрон на вторичные акцепторы – железо-серные белки, которые в свою очередь способны восстанавливать водорастворимый железо-серный белок ферредоксин, обладающий подвижностью в жидкой дисперсионной среде на внешней поверхности тилакоидных мембран (рис. 32). Далее с участием фермента ферредоксин – НАДФ – редуктазы, содержащего в качестве кофермента ФАД, осуществляется перенос электронов от восстановленного ферредоксина на окисленный НАДФ (НАДФ⁺), в результате чего происходит образование одного из важнейших продуктов фотосинтеза – восстановленных динуклеотидов НАДФ (НАДФ×Н):

2Н⁺

2Fd_восст. + НАДФ⁺ ¾¾® 2Fd_окисл. + НАДФ×Н + Н⁺

редуктаза

 

Белково-пигментный комплекс фотосистемы II включает следующие компоненты:

димер пигмента Р₆₈₀ и феофетин, играющие роль реакционного центра;

светоулавливающий комплекс пигментов, в состав которого входят молекулы хлорофилла а с максимумами поглощения 670-683 нм, хлорофилл b и каротиноиды;

молекулы пластохинонов, служащие вторичными акцепторами электронов.

Как и в фотосистеме I, молекулы пигментов светоулавливающего комплекса фотосистемы II поглощают кванты света и передают энергию возбуждения на пигмент Р₆₈₀ в составе реакционного центра, переводя его в возбуждённое синглетное состояние. Возбуждённая молекула Р₆₈₀ становится донором электрона для первичного акцептора – молекулы феофетина, который переходит в восстановленное состояние и передаёт электрон на первичный пластохинон, действие которого как акцептора электрона усиливается железо-серной группировкой в составе белкового комплекса. От первичного восстановленного пластохинона электрон передаётся на вторичный пластохинон, который далее взаимодействует с липидорастворимым переносчиком электронов – димером пластохинона, не связанным с белковым комплексом фотосистемы II.

В хлоропластах растений найдено несколько разновидностей пластохинонов, которые могут функционировать в качестве переносчиков электронов. Все они являются производными бензохинона, имеющего боковой радикал в виде соединённых в цепь остатков изопрена, но различаются числом этих остатков и наличием гидроксилированных и ацилированных группировок. Так, например, пластохинон А имеет следующие строение:

 

окисленная форма восстановленная форма

Для перевода молекулы пластохинона в восстановленное состояние необходимо присоединить 2 электрона и два протона. Донором электронов для липидорастворимого пластихинона служит вторичный пластихинон, находящийся в структуре белкового комплекса фотосистемы II, а протоны присоединяются из стромы с внешней поверхности тилакоидной мембраны, прилегающей к той части белкового комплекса, в которой локализован вторичный пластихинон.

Учитывая, что липидорастворимый переносчик электронов функционирует в виде димера, реакция его восстановления может быть выражена следующим уравнением:

2PQ + 4ē + 4H⁺¾® 2PQ×H₂

Восстановление в исходное состояние пигмента Р₆₈₀ в реакционном центре фотосистемы II происходит за счет электронов, образующихся в результате фотоокисления молекул воды. В этом процессе участвуют специфические белки, содержащие катионы марганца и входящие в структуру белкового комплекса фотосистемы II. Один из таких белков содержит в активном центре четыре катиона Mn²⁺, способных легко переходить в окисленное состояние (Mn³⁺⁾ и отщеплять от молекул воды электроны, передавая их на другой белковый переносчик, содержащий два атома Mn, который далее осуществляет перенос электронов на окисленный пигмент Р₆₈₀, переводя его в исходное восстановленное состояние. Определено, что активность белка, взаимодействующего с молекулой воды, зависит от наличия в реакционной среде ионов Са²⁺ и Cl^-.

В результате фотоокисления молекулы воды разлагаются на кислород и катионы Н⁺ (протоны).

-4ē

2Н₂О ¾® О₂ + 4Н⁺

 

Кислород и протоны выделяются на внутренней поверхности тилакоидных мембран.

В передаче электронов от фотосистемы II на фотосистему I принимает участие белковый цитохромный комплекс, содержащий цитохромы b₆ и f, а также железо-серный белок Риске, имеющий активную группировку 2Fe2S. В составе белково-цитохромного комплекса есть участок связывания восстановленной формы липидорастворимого переносчика электронов 2PQ×H₂, при взаимодействии с которым переносчик подвергается окислению, отдавая электроны на железо-серный белок Риске и высвобождая протоны на внутренней поверхности тилакоидной мембраны:

-4ē

2PQ×H₂ ¾® 2PQ + 4H⁺

 

Восстановленный железо-серный белок Риске передает электроны на цитохром f, а последний далее восстанавливает водорастворимый низкомолекулярный (10500) белок – пластоцианин, содержащий медь. Атом меди в структуре этого белка соединён координационными связями с остатками цистеина, метионина (через атом S) и гистидина (через азот имидозольной группирровки).

Восстановленный пластоцианин способен перемещаться в жидкой дисперсионной среде на внутренней поверхности тилакоидной мембраны и переносить электроны от белкового цитохромного комплекса на окисленный пигмент Р₇₀₀ в составе реакционного центра фотосистемы I. Таким образом, в процессе взаимодействия двух фотосистем под действием света инициируется направленный поток электронов, образующихся в результате фотоокисления молекул воды, к реакционному центру фотосистемы I, а от него на ферредоксин, с участием которого синтезируются восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н. Рассмотренная выше последовательность переноса электронов получила название нециклического транспорта электронов при фотосинтезе, который обычно изображается в виде так называемой Z-схемы (рис. 33).

Учитывая, что при фотоокислении воды 1 молекула кислорода (О₂) образуется из двух молекул воды, на реакционный центр фотосистемы II переносится 4 электрона, которые возмещают электронную недостаточность, вызванную передачей такого же количества электронов из реакционного центра в электронтранспортную цепь при поглощении 4 квантов света пигментным комплексом данной фотосистемы. Переносимые по электронтранспортной цепи фотосистемы II четыре электрона передаются далее на реакционный центр фотосистемы I для возмещения электронной недостаточности, вызванной передачей такого же количества электронов на восстановление НАДФ⁺ после поглощения четырех квантов света пигментным комплексом фотосистемы I. Всего при образовании 1 молекулы О₂ по электронтранспортной цепи, образующей Z-схему, осуществляется перенос 4 электронов, который индуцируется при поглощении восьми квантов света (4 в фотосистеме I + 4 в фотосистеме II), в результате чего осуществляется синтез двух молекул восстановленных динуклеотидов НАДФ×Н.

Следует отметить важную роль реакционных центров, в которых происходит превращение световой энергии, затраченной на возбуждение молекул пигментов, в химическую энергию восстановленных переносчиков электронов, возникающих при акцептировании электронов от пигментов Р₇₀₀ и Р_680.

Как было показано ранее, в процессе переноса электронов с участием липидорастворимого пластохинона и белково-цитохромного комплекса происходит также перенос протонов через мембрану тилакоида. Протоны акцептирует восстановленный липидорастворимый пластохинон с внешней поверхности тилакоидной мембраны, а их высвобождение происходит при взаимодействии восстановленного липидорастворимого пластохинона с белково-цитохромным комплексом уже в той части этого комплекса, которая обращена к внутренней поверхности тилакоидной мембраны. В результате на ней возникает избыточный положительный заряд, тогда как на внешней поверхности – отрицательный заряд, обусловленный избыточной концентрацией анионов, с которыми были связаны протоны. Кроме того, необходимо учитывать, что во внутренней полости тилакоидов остаются протоны, образовавшиеся в результате фотоокисления воды, которые также формируют положительный заряд на внутренней поверхности тилакоидной мембраны.

Накопление на внешней и внутренней поверхностях тилакоидной мембраны разноимённых зарядов, инициирует образование трансмембранного электрохимического потенциала, энергия которого может быть использована для осуществления эндергонических реакций синтеза веществ.

Наряду с нециклическим в хлоропластах растений происходит также и циклический транспорт электронов, который осуществляется с участием белкового комплекса фотосистемы I, белково-цитохромного комплекса с цитохромами b₆ и f, а также ферредоксина и липидорастворимого пластохинона PQ.

При циклическом транспорте электронов под действием света электроны из реакционного центра фотосистемы I через вторичные акцепторы – железо-серные белки – передаются на ферредоксин, который далее, взаимодействуя с белково-цитохромным комплексом, переносит их на пластохинон PQ (рис. 33). Восстановленный пластохинон акцептирует протоны с внешней поверхности тилакоидной мембраны и присоединяется к той части белково-цитохромного комплекса, где локализованы молекулы цитохрома b₆. Передав электроны на молекулы цитохрома b₆, пластохинон окисляется и высвобождает протоны на внутреннюю поверхность тилакоидной мембраны и таким образом инициирует создание трансмембранного потенциала. От цитохрома b₆ электроны далее передаются с участием железо-серного белка Риске и цитохрома f на пластоцианин, который, передвигаясь в жидкой фазе на внутренней поверхности тилакоидной мембраны, переносит их на окисленный пигмент Р₇₀₀ в реакционном центре фотосистемы I, переводя его в исходное восстановленное состояние.

Таким образом, согласно циклической схеме при поглощении квантов света электроны от возбуждённой молекулы пигмента Р₇₀₀ в реакционном центре фотосистемы I передаются последовательно по указанной выше цепи переносчиков, инициируя образование трансмембранного потенциала, а затем снова возвращаются в реакционный центр. При этом не происходит образования восстановленных динуклеотидов НАДФ×Н.

Наличие в хлоропластах циклической системы переноса электронов можно легко обнаружить, если блокировать с помощью специального ингибитора дихлорфенилдиметилмочевины передачу электронов в фотосистему I из фотосистемы II. У фотосинтезирующих бактерий фотосистема II отсутствует и поэтому у них функционирует только система циклического транспорта электронов с участием фотосистемы I.

Белковые комплексы фотосистем I и II неравномерно распределены в хлоропластных мембранах. Белково-пигментный комплекс фотосистемы II больше локализован в мембранах, образующих граны, а более высокая концентрация белково-пигментного комплекса фотосистемы I наблюдается в ламеллах, окружённых стромой. Белково-цитохромный комплекс равномерно локализован как в гранах, так и ламеллах, не образующих структуру гран. Перенос электронов между белковыми комплексами осуществляют молекулы липидорастворимого пластохинона, а также водорастворимых белков ферредоксина и пластоцианина, способных перемещаться на поверхности мембран в жидкой фазе – строме.

Определённой подвижностью обладают и белковые комплексы, которые могут подвергаться фосфорилированию, в результате чего при диссоциации протонов возрастает их отрицательный заряд, вызывающий перемещение белкового комплекса к внутренней поверхности мембраны, имеющей положительный заряд. Такое перемещение в составе мембран белкового комплекса фотосистемы II способствует более быстрому переносу электронов на реакционный центр фотосистемы I. Фосфорилирование белковых комплексов катализируют ферменты киназы, которые активируются восстановленным пластохиноном и ингибируются окисленной формой пластохинона. В результате отщепления остатков фосфорной кислоты от белкового комплекса под действием соответствующих фосфатаз, уменьшается его отрицательный заряд и он возвращается в исходное состояние, после чего может снова подвергаться фосфорилированию.

Фотофосфорилирование

Кроме восстановленных динуклеотидов НАДФ×Н важнейшим продуктом фотохимических реакций является АТФ. В опытах с изолированными хлоропластами растений было показано, что под действием света у них индуцируется синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата:

свет

АДФ + Н₃РО₄ ¾¾® АТФ + Н₂О

хлоропласты

 

В отсутствие же света фосфорилирование АДФ не происходило. Исходя из этого исследователи сделали вывод, что эндергоническая реакция синтеза АТФ (∆G^º'= + 30,6 кДж/моль) сопряжена с использованием энергии поглощённых хлоропластами квантов света. Сопоставление стандартных окислительно-восстановительных потенциалов компонентов электронтранспортной цепи в мембранах хлоропластов показывает, что такой сопряжённый синтез АТФ возможен. Разница стандартных окислительно-восстановительных потенциалов первичного донора электронов реакционного центра фотосистемы II Р₆₈₀ и первичного акцептора электронов фотосистемы I а₆₉₅ составляет более 1,8 В, что обеспечивает перепад в изменении свободной энергии более 170 кдж/моль. Тогда как в стандартных условиях для образования 1 моля макроэргических связей при фосфорилировании АДФ затрачивается 30,6 кДж свободной энергии.

Однако при этом возникает вопрос, каким путём происходит превращение поглощённой при фотосинтезе световой энергии в химическую энергию макроэргических связей АТФ. В наибольшей степени механизм указанного превращения объясняет хемиосмотическая гипотеза, разработанная английским биохимиком П. Митчеллом в 1961-1966 г.г. Большинство положений этой гипотезы подтверждается экспериментами. Применение хемиосмотической гипотезы для объяснения механизма фотофосфорилирования было предложено в 1967 г. А. Ягендорфом и в настоящее время получило признание большинства исследователей.

 

11. Окислительно-восстановительные потенциалы основных компонентов цепи переноса электронов в хлоропластах (восстановленные формы)

Компоненты электронтранспортной цепи	Е°ˈ, В
П680 – донор электронов в реакционном центре фотосистемы II	+1,12
Феофетин – первичный акцептор электронов в реакционном центре фотосистемы II	–0,61
Первичный пластохинон в белковым комплексе фотосистемы II	–0,13-0,30
Вторичный пластохинон в белковом комплексе фотосистемы II	–0,01
Липидорастворимые пластохиноны	0…+0,10
Железо-серный белок Риске	+0,32
Цитохром f	+0,36-0,40
Пластоцианин	+0,37
Р700 – донор электронов в реакционном центре фотосистемы I	+0,40-0,45
а695 – первичный акцептор электронов в реакционном центре фотосистемы I	–0,73
Железо-серные белки в фотосистеме I	–0,50-0,55
Ферредоксин	–0,43
Ферредоксин-НАДФ-оксидоредуктаза	–0,36
Цитохром b6	–0,18…+0,1

Согласно хемиосмотической гипотезе эндергонический процесс фосфорилирования АДФ с участием неорганического фосфата в хлоропластах растений сопряжён с использованием энергии трансмембранного электрохимического потенциала, который образуется при переносе электронов, индуцируемом в результате поглощения квантов света.

Процесс образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата катализирует АТФ-синтетазный белковый комплекс, получивший название сопрягающего фактора. Он состоит из 19 белковых субъединиц пяти типов, которые содержат участки связывания АДФ и неорганического фосфата. Сопрягающий фактор имеет глобулярную структуру и локализован на внешней поверхности тилакоидной мембраны. С сопрягающим фактором связан другой белковый комплекс, выполняющий функцию ионного канала, через который осуществляется транспорт катионов водорода Н⁺ по концентрационному градиенту из внутреннего пространства тилакоида на его поверхность. Проходя через ионный канал, катионы водорода попадают в АТФ-синтетазный комплекс и, активируя его, инициируют синтез АТФ (рис. 30).

Функционирование АТФ-синтетазного комплекса было проверено в экспериментах с изолированными от организма мембранными структурами. Так, например, в одном из опытов использовали искусственные мембраны, образованные из выделенных растительных фосфолипидов. С такими искусственными мембранными структурами связывали АТФ-синтетазу с соответствующим ионным каналом, выделенную из животных тканей, а в качестве хроматофора вводили бактериородопсин, который, поглощая кванты света, инициировал создание протонного градиента. Под действием протонного градиента АТФ-синтетазный комплекс катализировал синтез АТФ из добавленных в искусственную среду АДФ и неорганического фосфа