57. Влияние на фотосинтез условий освещения (работы в.Н. Любименко).

При низких интенсивностях света существует прямая пропорциональная зависимость между интенсивностью падающего на растение света и фотосинтеза. По мере увеличения интенсивности света нарастание фотосинтеза становится все менее выраженным и при достижении определенного уровня освещенности наступает насыщение фотосинтетической активности листа (плато световой кривой фотосинтеза). Анализ световой кривой фотосинтеза послужил основанием для представления о существовании в этом процессе световых, фотохимических, реакций, прямо пропорционально зависящих от интенсивности света, и «темновых», энзиматических, реакций, скорость которых становится лимитирующей при высоких интенсивностях света. На световой кривой фотосинтеза обычно отмечается световой компенсационный пункт' (СКП) — наименьшая интенсивность света, при которой активности фотосинтеза и дыхания растений уравновешены по газообмену. Положение СКП зависит от соотношения фотосинтеза и темнового дыхания и меняется в зависимости от температуры и концентрации углекислого газа в среде. Интенсивность света влияет на характер фотохимических и метаболических процессов в хлоропластах. При низких интенсивностях света в первую очередь активируется нециклический поток электронов. Увеличение интенсивности света стимулирует циклический поток электронов и повышает долю циклического транспорта электронов в общем потоке электронов по ЭТЦ хлоропластов. В условиях избыточной освещенности циклический транспорт электронов может играть защитную роль в хлоропластах, а также служить источником энергии для дополнительного синтеза АТФ и тем самым способствовать активации процессов ассимиляции углерода. С интенсивностью света связано образование различных продуктов фотосинтеза. Так, при слабой освещенности образуются главным образом аминокислоты, тогда как синтез углеводов в хлоропластах требует высокой интенсивности света. Спектральный состав света определяет общую интенсивность фотосинтеза, активность его отдельных реакций и набор синтезируемых продуктов. Кривая зависимости интенсивности фотосинтеза от качества света при выровненном количестве квантов (спектр действия фотосинтеза) демонстрирует два отчетливых максимума — в синей и красной области спектра, совпадающих со спектрами поглощения фотосинтетических пигментов. Максимумы поглощения отражают наиболее эффективное использование этих лучей при фотосинтезе. При выравнивании синего и красного освещения по квантам на синем свету у растений увеличивалась общая активность ассимиляции С02, что было обусловлено активацией в этих условиях транспорта электронов в ЭТЦ хлоропластов и ферментов углеродного цикла. Качество света определяло и состав продуктов, образующихся при фотосинтезе. Так, на синем свету преимущественно синтезировались органические кислоты и аминокислоты, а позднее — белки, тогда как красный свет индуцировал сначала синтез растворимых углеводов, а в дальнейшем — крахмала.

58. Темновая фаза фотосинтеза. Цикл Кальвина: карбоксилирование, восстановление и регенерация.

Этот способ ассимиляции СО2, присущий всем растениям. Характерной особенностью фотосинтетического восстановления СО2 являются цикличность и разветвленность этого процесса. Цикличность обеспечивает высокую производительность, саморегуляцию и непрерывность образования углеводов. Разветвленность — образование разнообразных продуктов, дублирование путей регенерации акцептора СО2.

Цикл состоит из трех этапов: карбоксилирования, восстановления и регенерации акцептора СО2. Карбоксилирование. Первой реакцией, вводящей СО2 в цикл Кальвина, является карбоксилирование рибулезо-1,5-дифосфата (1,5-РДФ) с участием фермента рибулезодифосфаткарбоксилазы (РДФ-карбоксилазы). Образующееся при этом нестойкое шестиуглеродное соединение быстро распадается на триозы — две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК). Поэтому 3-ФГК можно считать первичным продуктом фотосинтеза. Фаза восстановления. Восстановление 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК) до 3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГА) происходит в два этапа. Сначала при участии АТФ и фосфогли-цераткиназы 3-ФГК присоединяет остаток фосфорной кислоты с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-дФГК). Этим достигается повышение реакционной способности соединения и возможность его восстановления с помощью НАДФН до 3-ФГА.

Фаза восстановления является центральным звеном цикла. Именно здесь скрещиваются световая и темновая фазы фотосинтеза. Все остальные превращения идут на уровне Сахаров, одинаковых по степени восстановленности. Восстановление 3-ФГА в две реакции: сначала каждая 3-ФГА фосфорилируетс, образуя1,3 –дифосфоглицериновую кислоту. 1,3-ифосфоглицериновая кислота восстанавливается НАДФН параллельно с отщеплением одного остатка фосфорной кислоты, образуется глицеральдегид-3-фосфат. Обе реакции обратимы.

Фаза регенерации первичного акцептора СО2 и синтеза конечных продуктов фотосинтеза. Изомеризация фосфоглицеринового альдегида в фосфодиоксиацетон, затем из них синтезируется фруктоза-1,6-дифосфат, часть его для получения полисахаридов (откладывается в запас), часть используется по циклу. На последней стадии 5 молекул ФГА превращается в три молекулы рибулозо-1,5-бисфосфата.

Это соединение подвергается фосфорилированию за счет АТФ, которую поставляет световая фаза фотосинтеза, с образованием рибу-лозо-1,5-дифосфата. Цикл при этом замыкается.

Из оставшейся неиспользованной шестой молекулы 3-ФГА при повторении цикла под действием альдолазы синтезируется фруктозо-1,6-дифосфат, из которого могут образоваться глюкоза, сахароза или крахмал. Таким образом, для синтеза одной молекулы глюкозы должно произойти шесть оборотов цикла. В каждом обороте цикла используются три молекулы АТФ (две для активирования двух молекул ФГК и одна при регенерации акцептора СО2 1,5-РДФ) и две молекулы НАДФН для восстановления ФГК до ФГА.

В цикле Кальвина первичными продуктами включения СО2 в органические вещества и восстановления являются трехуглерод-ные соединения (3-ФГК, 3-ФГА, ФДА). Поэтому этот способ фиксации СО2 носит название Сз-пути фотосинтеза. Большинство растений, особенно произрастающих в умеренной зоне, используют именно этот путь восстановления СО2 и называются Сз-растениями.

59. Фотохимический этап фотосинтеза. Циклический и нециклический транспорт ē. I и II фотосистемы. Эффект Эмерсона. Общее уравнение циклического и нециклического фотофосфорилирования. Ассимиляционная сила.

Впервые идею о существовании в хлоропластах двух фотосистем высказал Эмерсон, изучая влияние света на квантовый выход фотосинтеза у хлореллы. Под квантовым выходом фотосинтеза понимается кол-во выделившегося кислорода или связанного СО2 на 1квант поглощенной энергии. Было показано что квантовый выход высок при освещении хлореллы красными лучами с длиной волны 660-680нм. Использование красного света с большей длиной волны приводило к снижению квантового выхода, а при 700нм фотосинтез почти прекращался, хотя эта часть спектра еще поглощается хлорофиллом. Однако если хлореллу одновременно освещали коротковолновым (650нм) и длинноволновым (700нм) красным светом, то суммарный эффект был выше чем при действии каждого красного света в отдельности. Это явление получило название эффекта Эмерсона.

Фотосистемы различаются по составу белков, пигментов и оптическим свойствам. Установлено, что фотосистема I 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.

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 (Арнон). Соответственно двум типам потока электронов различают циклическое и нециклическое фотофосфорилирование. 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 ФС I. Электрон в молекуле П700 переходит на более высокий энергетический уровень. Тенденция к потере электрона (окислению) выражена очень слабо. Однако при поглощении кванта света молекула П700 переходит в возбужденное состояние и 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. 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. От ферредоксина электрон переносится на НАДФ. Отдав электрон, П700 остается в виде ионизированной молекулы. Благодаря этому он является прекрасным акцептором электронов. Источником электрона, заполняющего эту «дырку», является фотосистема II. Она ответственна за реакции, связанные с разложением воды и выделением кислорода. В состав реакционного центра фотосистемы II входит хлорофилл а, поглощающий свет с длиной волны — λ680 (П680). Под влиянием поглощенного кванта света возбужденный электрон от П680 воспринимается первичным акцептором и передается дальше по цепи переносчиков. Образовавшаяся электронная «дырка» в молекуле П680 действует как сильный окислитель и через ряд переносчиков при участии ионов марганца и хлора отнимает электрон от воды. Этот электрон заполняет электронную «дырку» в молекуле П680. 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.

Окисленный П680+ в реакционном центре фотосистемы II обладает исключительно высоким сродством к электрону, т. е. является очень сильным окислителем. Благодаря этому в ФС II происходит разложение такого химически устойчивого соединения как вода. Входящий в состав ФС II водорасщепляющий комплекс (ВРК) содержит в своем активном центре группу ионов марганца (Мn2+)

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:2НАДФ + 2Н20 + 2АДФ + 2Н3Р04 -> 2НАДФН + 2Н+ + 2АТФ + 02.

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.

В циклическом процессе принимает участие лишь фотосистема I. В результате поглощения кванта света молекула П700 отдает возбужденный электрон сначала первичному переносчику, а затем от ферредоксина возвращается к П700. Суммарное уравнение циклического фотосинтетического фосфорилирования выглядит следующим образом:АДФ + Н3Р04 + hv —> АТФ + Н20.

Существуют две гипотезы относительно механизма фосфорилирования (прямой механизм и косвенный). Согласно первой гипотезе фосфатная группа и АДФ связываются с ферментом в активном участке комплекса Fr 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 Фн соединяются в активном центре фермента спонтанно. Однако образовавшаяся АТФ прочно 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 С02 восстанавливается до углеводов.