![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Глава 1.Основы биоэнергетики
- •1.1.Общие принципы биоэнергетики
- •1.2.Биоэнергетические процессы в животных клетках
- •1.2.1.Цепь переноса электронов и окислительное фосфорилирование
- •1.2.2.Гликолиз
- •1.2.3.Окисление жирных кислот
- •1.2.4.Цикл трикарбоновых кислот
- •1.3.Фотосинтез. Фотосинтетическое фосфорилирование
- •1.3.1.Световые стадии фотосинтеза
- •1.3.2.Темновые стадии фотосинтеза
1.3.Фотосинтез. Фотосинтетическое фосфорилирование
Рис.
8.6. Схема
строения хлоропласта
Центральным событием фотосинтеза является поглощение квантов видимого света, которое осуществляется специальным пигментом — хлорофиллом (Рис. 8 .7).
Хлорофилл встречается у зеленых растений в двух модификациях — a и b, причем более распространен хлорофилл а. Поглощающая свет часть молекулы представляет собой порфириновую систему , координирующую ион магния. Остаток пропионовой кислоты этерифицирован спиртом фитолом, что вносит в систему большой гидрофобный радикал, обеспечивающий взаимодействие с мембраной тилакоидов. Молекулы хлорофилла организованы в крупные агрегаты, содержащие каждый сотни молекул пигмента. Это так называемые антенны, которые обеспечивают эффективное поглощение световой энергии.
Рис. 8.7. Строение хлорофилла а
1.3.1.Световые стадии фотосинтеза
На световом этапе фотосинтеза происходит окисление молекул воды до О2 и восстановление NADP+ до NADPH . Для первого процесса необходимо создание сильного окислителя, для второго — сильного восстановителя.
И то, и другое осуществляется в результате поглощения кванта видимого света хлорофиллом в двух разделенных фотохимических системах, обозначаемых соответственно как фотосистемы II и I. Молекулы хлорофилла содержат систему сопряженных связей, формируемых набором многоцентровых молекулярных орбиталей, половина из которых в невозбужденном состоянии заполнена парами электронов, а вторая половина вакантна. Расстояние между высшей заполненной и низшей незаполненной орбиталями в шкале энергий не очень велико и соответствует длине волны около 700 нм, несколько различной для фотосистем I (700 нм) и II (680 нм) в связи с различием в окружении поглощающих молекул. При поглощении света один электрон переходит на низшую незаполненную орбиталь. В гомогенном состоянии возбужденный хлорофилл возвращается в основное состояние с испусканием кванта света, т. е. в результате флуоресценции. В фотосистемах I и II этого не происходит в результате присутствия рядом с возбуждаемой молекулой двух вспомогательных пар окислитель/восстановитель. Поскольку их химическая природа не может считаться достоверно установленной, ниже они будут обозначаться для фотосистемы I как Ox1/Red1 и Ox1/Red1, а для фотосистемы II как Ox2/Red2 и Ox2/Red2. Пара Ox1/Red1 должна характеризоваться отрицательным значением окислительно-восстановительного потенциала с тем, чтобы ее компонент Ox1 мог принять возбужденный электрон с образованием сильного восстановителя. При этом возбужденный хлорофилл должен превратиться в катион-радикал, который, получив электрон от восстановленного компонента Redl пары Ox1/Red1, возвращается в исходное состояние и может принимать следующий квант света. Молекула хлорофилла вместе с двумя указанными парами образует реакционный центр фотосистемы I. Роль большого числа других молекул хлорофилла, связанных с хлорофиллом реакционного центра в один кластер, состоит в собирании квантов света, которые безызлучательным путем подаются на хлорофилл реакционного центра, т. е. играют роль антенны. Сказанное можно записать в виде фотофизической (т. е. не конкретизирующей природу частиц) схемы, представленной на Рис. 8 .8.
Возвращение в исходное состояние частицы Red1 происходит в результате передачи ею электрона следующему переносчику или NADP+, причем для восстановления одной молекулы NADP+ необходимо последовательное поглощение двух квантов света.
Рис.
8.8. . События,
протекающие в реакционном центре
фотосистемы I.
Chl,
Chl*
и Chl+.
— хлорофилл в основном, электронно-возбужденном
и катион-радикальном состояниях
Рис.
8.9. События,
протекающие в реакционном центре
фотосистемы II.
Chl,
Chl*
и Chl+.
— хлорофилл в основном, электронно-возбужденном
и катион-радикальном состояниях
Возвращение частицы Ох2 в исходное состояние Red2 происходит в результате передачи электрона от молекулы воды.
В приведенном виде схемы на Рис. 8 .8 и Рис. 8 .9 не являются полными, поскольку в исходное состояние должны вернуться также частицы Ox1 и Red2. Это осуществляется путем переноса электрона от Ox2 и Red1, т. е. путем передачи электрона от фотосистемы II к фотосистеме I. При этом на каждую пару перенесенных электронов происходит один акт фосфорилирования АDP.
Сведения о химической природе компонентов, осуществляющих описанные процессы, как и в случае системы окислительного фосфорилирования, не являются полными. Ниже будут перечислены основные наиболее достоверно установленные и обстоятельно изученные компоненты.
Рис.
8.10. Строение
пластохинона
Далее в цепи переноса электронов от фотосистемы II к фотосистеме I принимают участие два цитохрома b559 и c552. Следующим компонентом цепи является медьсодержащий белок пластоцианин, от которого электрон поступает в реакционный центр фотосистемы I. Комплекс, образованный пластохиноном, цитохромами b559 и с552 и пластоцианином, по-видимому, является близким аналогом комплекса III в цепи переноса электронов в митохондриях. При прохождении через него пары электронов создается градиент концентрации протонов через мембрану тилакоидов, направленный внутрь мембраны, — рН внутри тилакоида может достигать значений 4 и ниже. Этот градиент используется вмонтированной в мембрану тилакоидов АТРазой, аналогичной митохондриальной и обычно обозначаемой как CFo — cf1, где символ С относит ее к хлоропластам (chloroplasts), a Fo и F1 обозначают связанную с мембраной гидрофобную и выступающую из мембраны гидрофильную часть комплекса, причем именно CF1 является носителем каталитической активности. Эта часть экспонирована в строму, и поэтому АТР образуется с наружной стороны тилакоида и беспрепятственно поступает в строму для участия в темновых стадиях фотосинтеза.
Фотосистема I посылает электрон на ферредоксин, который принимает участие в восстановлении NADP+ также происходящем с наружной части тилакоидной мембраны, так что NADPH сразу поступает в строму.
Из сказанного видно, что для восстановления одной молекулы NADP+ до NADPH необходимо прохождение двух электронов через обе фотосистемы, т. е. поглощение четырех квантов света. На каждую восстановленную молекулу NADPH приходится одна образовавшаяся молекула АТР. Такое соотношение между накоплением NADPH и АТР не может обеспечить даже потребности основного процесса — восстановления СО2 до углеводов. На каждые две молекулы NADPH требуется три молекулы АТР. Кроме того, АТР необходим для обеспечения целого ряда других энергетических, синтетических и регуляторных потребностей растительных клеток. Поэтому в хлоропластах функционирует дополнительный механизм, который обеспечивает фотосинтетическое фосфорилирование без сопутствующего восстановления никотинамидного кофермента и в котором участвует только фотосистема I. С этой целью поток электронов, поступающих от реакционного центра фотосистемы I на ферредоксин, разделяется на два. Часть их, как уже говорилось, используется для восстановления NADP+, а другая направляется на цитохром b559 и с него возвращается в реакционный центр фотосистемы I, проходя через цитохром c552 и пластоцианин и создавая протонный градиент через тилакоидную мембрану, используемый для фосфорилирования АDP. Этот путь получил название циклического фотосинтетического фосфорилирования. На рис. 98 представлена вся описанная схема световых стадий процесса фотосинтеза в зеленых растениях.
Рис. 8.11. Схема световых стадий фотоснтеза. PQ — пластохинон, PC — пластоцианин, Fdx — ферредоксин, Chl(I) — фотосистема I, Chl(II) — фотосистема II. Стрелками показано направление переноса электронов