ЭНЕРГЕТИКА ФОТОСИНТЕЗА

План:

1.Энергетика фотосинтеза. Значение отдельных участков солнечного спектра для фотосинтеза

2.Этапы фотосинтеза

2.1 Фотофизический этап фотосинтеза

2.2 Фотохимический этап

2.3 Циклический и нециклический поток электронов. Фотосинтетическое фосфорилирование

1.Энергетика фотосинтеза. Значение отдельных участков солнечного спектра для фотосинтеза

Важнейшей особенностью процесса фотосинтеза является то, что он протекает с использованием энергии солнечного света.

Лучистая энергия — это энергия электромагнитных колебаний, которая характеризуется определенной длиной волны, частотой колебания и скоростью распространения. Эти величины связаны между собой следующим образом: , где λ — длина волны, с — скорость света, величина постоянная, равная 3-10¹⁰ см/с, v — частота колебаний. Длина волны измеряется в нанометрах, а частота колебаний—в герцах (длина волны — расстояние между двумя после­довательными пиками одного цикла, частота колебаний — частота появления пиков). Собственно свет, или область электромагнитных колебаний, восприни­маемая человеческим глазом, лежит в пределах длины волн от 400 до 700 нм. Более короткие волны характерны для ультрафиолетовых лучей, а более длин­ные — для инфракрасных. Известно, что при пропускании луча света через призму он разлагается на отдельные участки, имеющие различную окраску (спектр). В пределах видимого света в зависимости от длины волны окраска лучей различна. Обладая волновыми характеристиками, свет проявляет и корпускуляр­ные свойства. Лучистая энергия излучается и распространяется в виде отдельных дискретных единиц — квантов или фотонов. Квант света обладает энергией, ко­торая прямо пропорциональна частоте колебаний и обратно пропорциональна длине волны , где h — постоянная Планка. Из этой формулы ясно видно, что величина энергии квантов для разных участков спектра будет раз­лична: чем короче длина волны, тем больше энергия кванта. Энергия квантов разных областей спектра может быть вычислена в электронвольтах или в ки­лоджоулях на моль. 1 моль квантов, или 1 Эйнштейн, соответствует числу кван­тов, равному 6,02310²³ (число Авогадро). Соответствующие расчеты приведены в таблице 1.

Согласно первому закону фотохимии, только поглощенные лучи могут быть ис­пользованы в химических реакциях. В том случае если реагирующие молекулы бесцветны и не поглощают свет, фотохимические реакции могут идти только в присутствии специальных веществ — фотосенсибилизаторов. Фотосенсиби­лизаторы — вещества, поглощающие энергию света и передающие ее на ту или иную бесцветную молекулу.

Таблица 1 Характеристика отдельных участков спектра

Положение о том, что в процессе фотосинтеза могут быть использованы толь­ко поглощенные лучи солнечного света, впервые получило экспериментальное подтверждение в опытах К.А. Тимирязева. До этого господствовало ошибочное представление, что наибольшее значение в процессе фотосинтеза имеют желтые лучи солнечного спектра, которые хлорофиллом не поглощаются. К.А. Тимиря­зев показал, что процесс усвоения СО₂ на свету представляет собой фотохимиче­ский процесс и подчиняется законам фотохимии. В процессе фотосинтеза вместо связей, обладающих малым запасом энергии, таких, как О—Н, С—О, создаются связи С—С, благодаря этому свободная энергия системы повышается. Эта энер­гия представляет собой трансформированную солнечную энергию,

К.А. Тимирязевым был разработан точный метод учета процесса фотосинте­за, основанный на одновременном определении объема поглощенного углеки­слого газа и выделенного кислорода в замкнутом сосуде (эвдиометре). Высокая чувствительность данного метода позволила определить фотосинтез в отдель­ных участках спектра, в которых благодаря малой их интенсивности фотосинтез шел очень слабо. Опыты К.А. Тимирязева ясно показали, что процесс фотосин­теза проходит именно в тех лучах, которые поглощаются хлорофиллом. Хлоро­филл является оптическим сенсибилизатором, поглощающим энергию света.

Определяя интенсивность процесса фотосинтеза в различных лучах солнечно­го спектра, К.А. Тимирязев показал, что наиболее интенсивное усвоение угле­кислого газа наблюдается в красных лучах. Затем по направлению к зеленой части спектра процесс фотосинтеза постепенно ослабевает. В зеленых лучах фотосин­тез минимальный. Это и понятно, так как именно зеленые лучи хлорофиллом почти не поглощаются. В сине-фиолетовой части спектра наблюдается второй подъем интенсивности фотосинтеза. Таким образом, если представить себе интенсивность фотосинтеза в виде кривой, то она будет иметь два максимума соответственно двум максимумам поглощения хлорофилла. Ряд пиков интен­сивности фотосинтеза соответственно отдельным линиям поглощения хлоро­филла не наблюдается, так как хлорофилл в хлоропластах находится в такой кон­центрации, при которой линии поглощения частично сливаются и образуются два основных максимума. Интенсивность процесса фотосинтеза в различных участках спектра получила название спектра действия. Можно сделать вывод, что спектр поглощения хлорофилла и спектр его действия в процессе фотосин­теза совпадают. Дальнейшие исследования внесли определенные уточнения как в отношении лучей, поглощаемых разными формами хлорофилла, так и в отно­шении их влияния на процесс фотосинтеза. Однако общие закономерности, ус­тановленные К.А. Тимирязевым, остались в силе.

Важное значение имеют исследования К.А. Тимирязева по эффективности использования энергии в красном и сине-фиолетовом участках спектра. Тими­рязев провел сравнение интенсивности и эффективности поглощения энергии к разных лучах солнечного спектра. Оказалось, что поглощенная энергия в крас­ном участке спектра используется более полно. Из этого наблюдения К.А. Ти­мирязев сделал вывод, что поглощенная энергия лучей разного качества, разной длины волны используется в фотохимических реакциях с разной эффектив­ностью. В процессе естественного отбора растения приспособились к поглоще­нию именно тех лучей, энергия которых используется в процессе фотосинтеза наиболее эффективно.

Мысли К.А. Тимирязева получили блестящее подтверждение после того, как А. Эйнштейном была сформулирована теория фотоэффекта. Из теории фото­эффекта следует, что интенсивность любой фотохимической реакции опреде­ляется не количеством поглощенной энергии, а числом поглощенных квантов. Между тем, как уже упоминалось, величина квантов в разных лучах солнечного спектра различна. В красных лучах кванты мельче и характеризуются меньшей энергией. По мере того как уменьшается длина волны, растет энергия квантов. В связи с этим на одно и тоже количество поглощенной энергии в красных лучах по сравнению с сине-фиолетовыми приходится большее число квантов и соот­ветственно большее количество прореагировавших молекул в фотохимических реакциях, в том числе и при фотосинтезе. Правда, могут быть кванты, несущие так мало энергии, что ее не хватает на то, чтобы вызвать химический эффект. Иначе говоря, для фотохимических реакций существует нижний предел энер­гии, т. е. верхний предел длины волны, после которого они неосуществимы. Так, (ротохимические реакции возможны в пределах величины квантов от 147 до 587 кДж/моль. Таким образом, в квантах красного света (176 кДж/моль h\) за­ключено достаточное количество энергии для осуществления фотохимической реакции. Вместе с тем при поглощении квантов синего света (261 кДж/моль кч) реагирующие молекулы будут получать избыток энергии, который выделяется и виде тепла или света.

Таблица 2 Использование энергии света лучей различной длины при фотосинтезе клетками водоросли хлореллы

Следовательно, использование энергии зависит от качества света. Это было подтверждено исследованиями О. Варбурга. В этих исследованиях впервые была установлена величина фотосинтетической работы, производимой за счет 1 Дж поглощенной лучистой энергии. Эта величина возрастает по мере увеличения длины волны. Данные таблицы 6 показывают совпадение теоретических расчетов и экспериментально полученных величин.

Таким образом, количество молекул СО₂ и Н₂О, использованных в процессе фотосинтеза, пропорционально числу поглощенных квантов. Однако число квантов, необходимое для протекания различных фотохимических реакций, не­одинаково. Редкая фотохимическая реакция имеет квантовый расход, равный единице. Он может быть значительно больше единицы, так как не все возбуж­денные молекулы вступают в реакцию. Может быть и меньше единицы, если благодаря цепным взаимодействиям в реакцию вступают не только возбужден­ные молекулы.

Квантовый расход процесса фотосинтеза, т. е. количество квантов, необхо­димое для того, чтобы одна молекула СО₂ восстановилась до углеводов, окончательно не установлен. Все же большинство исследований показывает, что для восстановления одной молекулы СО₂ до углеводов нужно 8—9 квантов света. Противоположной величиной квантовому расходу является квантовый выход — это количество ассимилированного СО₂ при поглощении одного кванта. Кван­товый выход составляет '/_g или '/₉ М. Анализ квантового расхода, наблюдаемого в различных участках солнечного спектра, позволил также доказать роль каротиноидов в процессе фотосинтеза. Исследования А.А. Рихтера, а затем Р. Эмерсона показали, что в той части спектра, где лежит максимум поглощения каротиноидов, т. е. между синими и зелеными лучами, на их долю приходится 70% от всего поглощения и лишь 30% энергии поглощается хлорофиллом. В этой части спек­тра расход квантов приближается к теоретически возможному, только если при­нять, что кванты света, поглощенные каротиноидами, передаются хлорофиллу и, таким образом, используются в процессе фотосинтеза. Правда, кванты света, поглощенные каротиноидами, используются менее эффективно по сравнению с квантами, поглощенными непосредственно хлорофиллом.

2.Этапы фотосинтеза

Фотосинтез — это сложный многоступенчатый окислительно-восстановитель­ный процесс, в котором происходит восстановление углекислого газа до уровня углеводов и окисление воды до кислорода. Фотосинтез включает как световые, так и темновые реакции. Был проведен ряд экспериментов, доказывающих, что и процессе фотосинтеза происходят не только реакции, идущие с использова­нием энергии света, но и темновые, не требующие непосредственного участия энергии света. Можно привести следующие доказательства существования темновых реакций в процессе фотосинтеза: 1) фотосинтез ускоряется с повыше­нием температуры. Отсюда прямо следует, что какие-то этапы этого процесса непосредственно не связаны с использованием энергии света. Особенно резко зависимость фотосинтеза от температуры проявляется при высоких интенсивностях света. По-видимому, в этом случае скорость фотосинтеза лимитируется именно темновыми реакциями; 2) эффективность использования энергии све­та в процессе фотосинтеза оказалась выше при прерывистом освещении. При этом для более эффективного использования энергии света длительность тем­новых промежутков должна значительно превышать длительность световых.

В 1932 г. Эмерсону удалось непосредственно измерить продолжительность све­товых и темновых реакций фотосинтеза. Оказалось, что скорость световой реакции составляет 10^-5 с и не зависит от температуры, тогда как скорость темновой зна­чительно меньше и в зависимости от температуры изменяется от 4х10^-1 до 4х10^-2 с.

Процесс фотосинтеза включает следующие этапы:
1) фотофизический; 2) фо­тохимический (световой); 3) ферментативный (темновой).

2.1 Фотофизический этап фотосинтеза

Согласно законам фотохимии, при поглощении кванта света атомом или мо­лекулой какого-либо вещества электрон переходит на другую, более удаленную орбиталь, т. е. на более высокий энергетический уровень (рисунок 1). Наибольшей энергией обладает электрон, отдаленный от ядра атома и находящийся на достаточно большом расстоянии от него. Вместе с тем, чем ближе к ядру, тем меньше энергия электрона. Каждый электрон переходит на более высокий энергетический уровень под влиянием одного кванта света, если энергия этого кванта ровна разнице между этими энергетическими уровнями.

Рисунок 1 - Изменения, вызываемые в атоме поглощением фотона:

— поглощение фотона, возбуждение атома при переходе электрона;

— возврат электрона выделение энергии в виде излучения.

Все фотосинтезирующие организмы содержат какой-либо тип хлорофилла. Исключением являются бактерии (Halobacterium halobium), содержащие бактериородопсин, с помощью которого они поглощают кванты света.

В молекуле хлорофилла два уровня возбуждения. Именно с этим связано и то, что он имеет две основные линии поглощения. Первый уровень возбуждения обусловлен переходом на более высокий энергетический уровень электрона в системе сопряженных двойных связей, а второй — с возбуждением неспаренных электронов атомов азота и кислорода в порфириновом ядре. При поглоще­нии света электроны переходят в колебательное движение. Наиболее подвиж­ными в молекуле являются делокализованные электроны, орбитали которых как бы размазаны, обобщены между двумя ядрами. Особенно легко возбуждаются электроны сопряженных двойных связей.

Электрон, кроме того, что он находится на определенной орбитали и вращается вокруг ядра, обладает еще спином (вектором магнитного момента) — характеристикой, которую можно трактовать как направление вращения электрона вокруг своей оси. Спин электрона может принимать два значения. Спины двух электро­нов, находящихся на одной орбитали, противоположны. Когда в молекуле все электроны расположены попарно, их суммарный спин равен нулю. Это основное синглетное состояние (S₀). В основном энергетическом состоянии S₀ молекула находится
в тепловом равновесии со средой, все электроны попарно занимают орбитали с наименьшей энергией. При поглощении света электроны переходят на следую­щие орбитали с более высоким энергетическим уровнем. При этом имеются две возможности: если электрон не меняет спина, то это приводит к возникновению первого и второго синглетного состояния (S *_1, S*₂). Если же один из электронов меняет спин, то такое состояние называют триплетным (Т*₁).

Наиболее высокий энергетический уровень — это второй синглетный уровень S*₂. Электрон переходит на него под влиянием сине-фиолетовых лучей, кванты которых содержат больше энергии. В первое возбужденное S*_l состояние электроны могут переходить, поглощая более мелкие кванты красного света..

Время жизни на S*₂ уровне составляет 10^-12 с. Это время настолько мало, что на его протяжении энергия электронного возбуждения не может быть использо­вана. Через этот короткий промежуток времени электрон возвращается в первое синглетное состояние S*₁ (без изменения направления спина). Переход из вто­рого синглетного состояния S*₂ в первое S*₁ сопровождается некоторой потерей энергии (100 кДж) в виде теплоты. Время жизни в первом синглетном состоянии немного больше (10^-9 или 10^-8 с). Наибольшим временем жизни (10^-4—10^-2 с) обладает триплетное состояние Т*_1. Переход на триплетный уровень происхо­дит с изменением спина электрона.

Из возбужденного, первого синглетного и триплетного состояния молекула хлорофилла также может переходить в основное. При этом ее дезактивация (по­теря энергии) может проходить: 1) путем выделения энергии в виде света (флуо­ресценция и фосфоресценция) или в виде тепла; 2) путем переноса энергии на другую молекулу пигмента; 3) путем затрачивания энергии на фотохимические процессы (потеря электрона и присоединение его к акцептору (рисунок 2). В лю­бом из указанных случаев молекула пигмента дезактивируется и переходит на основной энергетический уровень. Энергия, испускаемая в виде флуоресцен­ции или в виде теплоты, не может быть использована.

Рисунок 2 – Переходы между возбужденными состояниями хлорофилла после поглощения квантов синего и красного света

В настоящее время показано, что хлорофилл имеет две функции — поглоще­ние и передачу энергии. При этом основная часть молекул хлорофилла — более 90% всего хлорофилла хлоропластов входит в состав светособирающего комплек­са (ССК). Светособирающий комплекс выполняет роль антенны, которая эф­фективно поглощает свет и переносит энергию возбуждения к реакционному центру. Кроме большого числа (до нескольких сотен) молекул хлорофилла ССК содержит каротиноиды, а у некоторых водорослей и цианобактерий фикобилины. Каротиноиды и фикобилины увеличивают эффективность усвоения света за счет того, что они поглощают свет в тех областях спектра, в которых молеку­лы хлорофилла поглощают свет сравнительно слабо.

Такое устройство позволяет значительно полнее использовать энергию све­та. Подсчитано, что каждая молекула хлорофилла на прямом солнечном свету поглощает квант света не чаще чем 10 раз в секунду. Между тем скорость после­дующих реакций фотосинтеза значительно больше. Из сказанного следует, что при непосредственной связи каждой молекулы хлорофилла с последующей ре­акцией процесс фотосинтеза шел бы прерывисто. Необходимо учитывать также, что использование энергии света в химических реакциях требует большого ко­личества ферментов. Если бы каждая молекула хлорофилла отдавала энергию света непосредственно на фотохимические процессы, то в листе не хватило бы места для размещения всех необходимых для этого ферментных систем. В процес­се эволюции в растениях выработался механизм, позволяющий наиболее полно использовать кванты света, падающие на лист подобно каплям дождя. Механизм этот заключается в том, что энергия квантов света улавливается 200—400 моле­кулами хлорофилла и каротиноидами ССК и как бы стекается к реакционному центру.

Передача энергии между молекулами пигментов идет главным образом ре­зонансным путем, без разделения зарядов с большой скоростью. Так, время переноса энергии от одной молекулы хлорофилла к другой составляет 1х10^-12—
2х10^-12 с, а от молекулы каротиноидов к хлорофиллу 4-10^-10 с. Таким образом, время переноса энергии значительно меньше времени жизни возбужденной молекулы (10^-8 с). Такой перенос может осуществляться только при близком расстоянии между молекулами пигментов. Расчеты показали, что в одном хло­ропласте до 1 млрд молекул хлорофилла. Расстояние между молекулами хлоро­филла в мембранах составляет всего 1 нм. Перенос энергии происходит только от пигментов, поглощающих свет с меньшей длиной волны, к пигментам, по­глощающим свет с большей длиной волны. Дело в том, что хотя передача энергии от одной молекулы пигмента к другой идет с большой эффективностью (от хло­рофилла b к хлорофиллу а — 90%, от каротиноидов к хлорофиллу—40%), однако все же это связано с некоторой ее потерей. Вместе с тем кванты света с меньшей длиной волны обладают большей энергией. Потеря энергии приводит к пре­вращению квантов в более мелкие (с большей длиной волны). Именно поэтому основные формы хлорофилла, к которым стекается энергия, являются более длинноволновыми. Обратный перенос энергии невозможен.

В том случае, если молекулы пигментов имеют одинаковый максимум поглощения возможен другой путь передачи энергии, получивший название экситонного. При этом пути электронное возбуждение распространяется в результате межмолекулярной вибрации на комплекс пигментов.

Строение ССК зависит не только от систематического положения фотосинтезирующего организма, но и от условий произрастания. Теневыносливые рас­тения имеют, как правило, больший размер ССК по сравнению с растениями, растущими в условиях высокой освещенности.

Таким образом, в первичных процессах фотосинтеза, связанных с поглоще­нием молекулой хлорофилла кванта света, важную роль играют процессы пере­дачи энергии. Фотофизический этап фотосинтеза и заключается в том, что кванты света поглощаются и переводят молекулы пигментов в возбужденное состояние. Затем эта энергия переносится на реакционный центр, осуществ­ляющий первичные фотохимические реакции: разделение зарядов.

Дальнейшее превращение энергии света в химическую энергию проходит ряд этапов, начиная с окислительно-восстановительных превращений хлорофилла и включая как фотохимические (световые), так и энзиматические (темновые) реакции.

2.2 Фотохимический этап

Происхождение кислорода при фотосинтезе

Большое значение для раскрытия вопроса о сущности фотохимических реак­ций имело изучение особенностей бактериального фотосинтеза. Впервые на способность бактерий, содержащих пигменты, использовать энергию света для фотосинтеза указал Т. Энгельман (1883). Дальнейшие исследования показали, что окрашенные бактерии содержат пигменты, относящиеся к группе хлорофиллов, а именно бактериохлорофиллы, и синтезируют органическое вещество из неорганических соединений при участии энергии света. Однако этот процесс не сопровождается выделением кислорода. Это связано с тем, что в качестве ис­точника протонов и электронов бактерии используют не воду, а сероводород или другие соединения. Такой тип ассимиляции СО₂ получил название бактериаль­ного фотосинтеза.

Наиболее распространены содержащие пигменты серные бактерии. Как ус­тановил К.Б. ван Ниль, у этих бактерий ассимиляция СО₂ сопровождается раз­ложением сероводорода с выделением серы:

,

где формула (СН₂О) означает, что углерод восстановлен до углеводов.

Есть несерные окрашенные бактерии, которые в качестве источника прото­нов и электронов используют различные органические соединения. Процесс мо­жет идти по следующему типу:

Во всех разобранных случаях происходит восстановление СО₂ за счет водо­рода какого-либо другого соединения. В общей форме это можно представить реакцией:

,

где H₂A — вещество, которое является источником водорода, а (СН₂О) — ¹/₆ мо­лекулы сахара. К. Б. ван Ниль высказал предположение, что при фотосинтезе происходит сходный процесс, а именно разложение воды и присоединение во­дорода к СО₂. При этом кислород выделяется. Иначе говоря, процесс фотосин­теза у зеленых растений идет по уравнению:

Использование воды в качестве источника водорода дало зеленым растени­ям в процессе эволюции огромное преимущество в силу повсеместного ее при­сутствия. Высказанное предположение получило экспериментальное под­тверждение в работах академика А.П. Виноградова (1941). Он провел анализ изотопного состава (соотношения ¹⁶О, ^|7О, ^|8О) кислорода разного происхожде­ния. Оказалось, что кислород, выделенный из воды, воздуха и образующийся прифотосинтезе, имеет одинаковое соотношение изотопов, тогда как кислород СО₂ содержит относительно больше тяжелых изотопов. На основании этих ис­следований было сделано два вывода: 1) в процессе фотосинтеза разлагается вода; 2) в процессе фотосинтеза выделяется кислород, который является основным источником кислорода воздуха.

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

Вода в правой части уравнения не подлежит сокращению, поскольку ее ки­слород имеет иной 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 необходимо отметить, что окисление — это не только присоединение кислорода, но и отнятие протонов, и потеря элек­трона, тогда как восстановление — это отнятие кислорода и присоединение про­тонов или электронов.

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

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 позволили установить 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 никотинами-дадениндинуклеотидфосфат — 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.

2.3 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 фотохимическому реакционному центру, содержащему особую пару (ди­мер) молекул хлорофилла а, которые характеризуются поглощением в наиболее длинноволновой части солнечного спектра и выполняют роль ловушки энергии возбуждения, блуждающего по пигментам ССК. Наряду с димером хлорофилла в фотосинтетический комплекс входят молекулы первичного и вторичного ак­цепторов электрона. Молекула хлорофилла, отдавая электрон первичному акцеп­тору, окисляется. Электрон поступает в электронтранспортную цепь.

Совокупность светособирающего комплекса (ССК), фотохимического реак­ционного центра и связанных с ним молекул — переносчиков электрона со­ставляет фотосистему. По современным представлениям фотосистема является важнейшим структурно-функциональным звеном фотосинтетического аппарата.

В процессе фотосинтеза принимают участие две фотосистемы. Р. 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 цианобактерий. У других бактерий этот эффект отсутствует и, соответственно, в процессе фотосинтеза участвует одна фотосистема.

Фотосистемы различаются по составу белков, пигментов и оптическим свой­ствам. Установлено, что фотосистема 1 включает светособирающий комплекс и фотохимический реакционный центр I, в состав которого входит димер хло­рофилла, поглощающий свет с длиной волны 700 нм (П₇₀₀). Фотосистема II включает светособирающий комплекс и фотохимический реакционный центр II, в состав которого входит димер хлорофилла, поглощающий свет с длиной волны 680 нм (П₆₈₀). Свет поглощается двумя фотосистемами раздельно 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 протонов и электронов, либо только электронов. При этом молекула, отдающая протон или электрон, окисляется, а молекула, воспри­нимающая протон 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 фосфорилирования (Д. Арнон), Соответственно двум типам потока электронов раз­личают циклическое и нециклическое фотофосфорилирование.

Общая схема нециклического фотофосфорилирования представлена на ри­сунке 3. При нециклическом потоке электронов принимают участие две фо­тосистемы. Как уже упоминалось, энергия квантов света стекается к молекуле пигмента П₇₀₀, который входит в состав реакционного центра ФСI (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 первичному акцептору (фотохимическая реакция). Энергия света изменяет распределение электронов в кольце молекулы хлорофилла П₇₀₀ 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 П₇₀₀ окисляется и остается в виде положительно заряженной молекулы

где Хл* — возбужденная форма хлорофилла, (Хл)⁺ — окисленная форма хлоро­филла. Электрон с первичного акцептора, которым является мономерная форма хло­рофилла а, передвигается через ряд переносчиков, расположенных в порядке возрастания О/В потенциала. Конечным акцептором электрона является НАДФ. Электроны спонтанно текут в сторону менее отрицательного окислительно-вос­становительного потенциала. Первичный акцептор, воспринимающий электрон от П₇₀₀, передает электрон на железосерные белки.

Следующим переносчиком является железосодержащий белок ферредоксин (Е₀—0,43). Ферредоксин содержит два атома железа в негеминовой форме. От ферредоксина электрон переносится на НАДФ (Е₀-—0,32). Этот перенос осу­ществляется с помощью специфического белка-фермента (ферредоксин-НАДФ-редуктазы), коферментом которого является флавинадениндинуклеотид (ФАД).

Отдав электрон, П₇₀₀ остается в виде ионизированной молекулы. При этом потенциал П₇₀₀ становится снова +0,43 В {основное состояние). Благодаря это­му он является прекрасным акцептором электронов. Источником электрона, за­полняющего эту «дырку», является фотосистема II.

Рисунок 3 - Схема нециклического транспорта электронов при фотосинтезе

Она ответственна за реакции, связанные с разложением воды и выделением кислорода. Цепь транспорта элект­ронов (ЭТЦ), соединяющая две фотосистемы, в качестве переносчиков электро­на включает в себя молекулы пластохинона (ПХ), отдельный электронтранспортный белковый комплекс (так называемый b/f- комплекс) и водорастворимый белок пластоцианин (ПЦ).

В состав реакционного центра фотосистемы II входит хлорофилл а, погло­щающий свет с длиной волны — λ₆₈₀ (П_68О). Под влиянием поглощенного кванта света возбужденный электрон от П₆₈₀ воспринимается первичным акцептором и передается дальше по цепи переносчиков. Образовавшаяся электронная «дыр­ка» в молекуле П₆₈₀действует как сильный окислитель и через ряд переносчиков при участии ионов марганца и хлора отнимает электрон от воды. Этот электрон заполняет электронную «дырку» в молекуле П₆₈₀. Происходит фотоокисление воды, и выделяется молекула кислорода:

Рассмотрим более подробно путь переноса электрона от фотосистемы II к фотосистеме I. Полученные П₆₈₀ от воды электроны передаются на молекулу феофитина, который является первичным акцептором, затем на пластохиноны, переносящие как электроны, так и протоны. От пластохинона электроны поступают на b/f-комплекс и передаются через железосерный белок на цито­хром ƒ Цитохром ƒ относится к группе цитохромов с (К +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 (Е₀ пластоцианина + 0,370): Сu²⁺ + е → Сu⁺. Пластоцианин выполняет роль связующего звена между b/f-комплексом и ФСI. От пластоцианина электрон заполняет электронную «дырку» у П₇₀₀.

Окисленный П₆₈₀⁺ в реакционном центре фотосистемы II обладает исклю­чительно высоким сродством к электрону, т. е. является очень сильным окисли­телем. Благодаря этому в ФСII происходит разложение такого химически ус­тойчивого соединения как вода. Входящий в состав ФСII водорасщепляющий комплекс (ВРК) содержит в своем активном центре группу ионов марганца (Мп²⁺), которые служат донорами электрона для П₆₈₀⁺. Отдавая электроны окис­ленному реакционному центру П_б80⁺, ионы марганца накапливают положитель­ные заряды, которые непосредственно участвуют в реакции окисления воды:

После последовательной передачи четырех электронов от ВРК к П₆₈₀⁺ про­исходит разложение сразу двух молекул воды, сопровождающееся выделением одной молекулы кислорода и четырех ионов водорода, которые попадают во внутритилакоидное пространство хлоропласта.

Перенос электрона по цепи переносчиков от фотосистемы II к фотосисте­ме I сопровождается образованием АТФ из АДФ и неорганического Фн (АДФ + Фн → АТФ). Суммарное уравнение процесса нециклического фотофос­форилирования может быть выражено следующим образом:

Таким образом, отличительными особенностями нециклического фотосин­тетического фосфорилирования являются: 1) окисление двух молекул воды; 2) участие двух фотосистем; 3) передача электронов от молекул воды (первичный донор) через электронтранспортную цепь на НАДФ {конечный акцептор). Про­дуктами процесса нециклического фотофосфорилирования являются восстанов­ленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН + Н⁺) и АТФ. Эти соединения в дальнейшем используются в темновой фазе фотосинтеза.

Рисунок 4 – Схема циклического транспорта электронов при фотосинтезе

Общая схема циклического фотофосфорилирования дана на рисунке 4. В этом процессе принимает участие лишь фотосистема I. На схеме показано, что в ре­зультате поглощения кванта света молекула П₇₀₀ отдает возбужденный электрон сначала первичному переносчику, а затем от ферредоксина возвращается к П₇₀₀. На участке электронтранспортной цепи между цитохромом b и цитохромомƒ образуется АТФ. Таким образом, в этом случае П₇₀₀ является и донором, и ак­цептором электрона. Суммарное уравнение циклического фотосинтетического фосфорилирования выглядит следующим образом:

При рассмотрении приведенных схем надо учитывать, что в зависимости от состояния хлоропластов расположение и набор переносчиков в электронтранс­портной 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 теория, раз­работанная английским биохимиком П. Митчеллом.

Переносчики электронов (электронтранспортная цепь) локализованы в мембра­нах асимметрично. При этом последовательно чередуются переносчики электронов (цитохромы) с переносчиками электрона и протона (пластохиноны) (рисунок 5).

При поглощении двух квантов света два электрона (поочередно) высвобож­даются из П₆₈₀, 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 П₆₈₀ пе­редаются на акцептор, расположенный на наружной поверхности мембраны тилакоида. Этим акцептором является пластохинон (ПХ). 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 протонами:

Молекула пластохинона сначала принимает два электрона: . ПХ^-2 имеет высокое сродство к протонам, которые захватывает из стромы с образованием электрически нейтральной формы: . Пластохинон выполняет роль подвижного переносчика двух электронов и двух про­тонов и может легко перемещаться внутри тилакоидной мембраны, обеспечивая связь ФСII с другими электронтранспортными комплексами. ПХ х Н₂ диффунди­рует внутри липидного бислоя тилакоидной мембраны к b/ƒ-комплексу и пере­дает ему два электрона. Протоны выделяются в пространство внутри тилакоида. Таким образом, при переносе пары электронов от Хл₆₈₀ на Хл₇₀₀ во внутреннем пространстве тилакоидов накапливаются протоны. В результате активного пе­реноса протонов из стромы во внутритилакоидное пространство на мембране создается электрохимический потенциал водорода (ΔµН⁺), имеющий две состав­ляющие: химическую ΔрН (концентрационную), возникающую в результате неравномерного распределения ионов Н⁺ по разным сторонам мембраны, и элек­трическую, обусловленную противоположным зарядом разных сторон мемб­раны (благодаря накоплению протонов с внутренней стороны мембраны).

Рисунок 5 – Схема образования мембранного потенциала и переноса протонов во внутритилакоидное пространство: Фд — ферредоксин; ПЦ — пластоцианин; ПХ — пластохинон; b₅₅₉, f— цитохромы

Соответственно и энергия, накапливаемая на мембране в результате концент­рирования протонов на одной стороне, имеет две составляющие — химическую и электрическую. Чтобы использовать эту энергию, необходимо обеспечить об­ратный поток протонов. Энергия, выделяющаяся при этом, и используется для образования АТФ. Накопление протонов внутри тилакоида происходит не только при окислении пластохинона, но и в результате фотоокисления воды.

Сопряжение диффузии протонов через мембрану осуществляется макромолекулярным ферментным комплексом, называемым АТФ-синтазой или сопря­гающим фактором (рисунок 6). Этот комплекс по форме напоминает гриб и со­стоит из двух частей — факторов сопряжения: круглой шляпки F₁, выступаю­щей с наружной стороны мембраны (в ней располагается каталитический центр фермента), и ножки F₂, погруженной в мембрану. Мембранная часть состоит из полипептидных субъединиц (а, b, с) и формирует в мембране протонный канал, по которому ионы водорода попадают к фактору сопряжения F₁. Белок F_lпред­ставляет белковый комплекс, который состоит из девяти субъединиц пяти типов. Белковый комплекс F₁ можно сравнительно легко отделить от мембраны, при этом он сохраняет способность катализировать гидролиз АТФ, т. е. является АТФазой.

Рисунок 6 – Структура АТФ-синтетазного комплекса

Однако изолированный F₁ не способен синтезировать АТФ. Способность синтезировать АТФ — это свойство единого комплекса F₀-F₁ встроенного в мембрану. Связано это с тем, что работа АТФ-синтазы при синте­зе АТФ сопряжена с переносом через нее протонов, путь которых направлен через F₀ к F_1. Направленный транспорт протонов возможен только в том случае, если АТФ-синтаза встроена в мембрану.

Существуют две гипотезы относительно механизма фосфорилирования (пря­мой механизм и косвенный) (рисунок 7). Согласно первой гипотезе фосфатная группа и АДФ связываются с ферментом в активном участке комплекса F_1. Два протона перемещаются через канал по градиенту концентрации и соединяются с кислородом фосфата, образуя воду. Это делает фосфатную группу весьма реакционноспособной, и она присоединяется к АДФ с образованием АТФ. Согласно второй гипотезе, которая в последние годы получила экспериментальные под­тверждения (косвенный механизм), АДФ и Ф_н соединяются в активном центре фермента (субъединицы α и β фактора F₁) спонтанно. Однако образовавшаяся АТФпрочно связана с ферментом, и для ее освобождения требуется энергия. Энергия доставляется протонами, которые, связываясь с ферментом (протонирование), изменяют его конформацию, после чего АТФ высвобождается.

Продукты световой фазы, в которых аккумулирована энергия света, — АТФ и НАДФН Д. Арнон назвал ассимиляционной силой, поскольку они использу­ются в темновую фазу, в ходе которой СО₂ восстанавливается до углеводов.

Рисунок 7 – Механизм образования АТФ

ФОТОСИНТЕЗ (12 часов)