3.6. Электрон-транспортная цепь хлоропластов

Фотохимические процессы, проходящие в реакционных центрах ФСI и ФСII, приводят к быстрому первичному запасанию энергии квантов света в форме лабильных соединений с высоким энергетическим потенциалом. Дальнейшие реакции фотосинтеза направлены на преобразование энергии света в более стабильную форму – сначала в форму восстановленного НАДФН и АТФ, а затем, при использовании этих продуктов в реакциях углеродных циклов, - в форму углеводов и других стабильных органических соединений. Образование восстановленного НАДФН и АТФ в хлоропластах связано с работой электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) фотосинтеза.

3.6.1. Структурно-функциональная организация электрон-транспортной цепи хлоропластов.

ЭТЦ хлоропластов – это цепь редокс-агентов, определенным образом располо­женных в мембране хлоропластов, осуществляющих фотоиндуцируемый транспорт элек­тронов от воды к НАДФ⁺ (рис. 3.32, 3.33). Движущей силой транспорта электронов по ЭТЦ фотосинтеза являются окислительно-восстановительные реакции в реакционных центрах двух фотосистем. Первичное разделение зарядов в РЦ ФСI приводит к образованию сильного восстанови­теля А_о^-, окислительно-восстановительный потенциал которого обеспечивает восстанов­ление НАДФ⁺ через цепь промежуточных переносчиков. В РЦ ФСII фотохимические реакции ведут к образованию сильного окислителя П680⁺, который вызывает ряд окис­лительно-восстановительных реакций, приводящих к окислению воды и выделению кис­лорода. Восстановление П700⁺, образованного в РЦ ФСI, происходит за счет электронов, мобилизованных из воды фотосистемой II, при участии промежуточных переносчиков электронов (пластохинонов, редокс-кофакторов цитохромного комплекса и пластоциани­на). В отличие от первичных фотоиндуцированных реакций разделения зарядов в реак­ционных центрах, идущих против термодинамического градиента, перенос электрона на других участках ЭТЦ идет по градиенту окислительно-восстановительного потенциала и сопровождается высвобождением энергии, которая используется на синтез АТФ.

3.6.1.1. Компоненты этц хлоропластов, их природа и физико-химические свойства.

ЭТЦ хлоропластов включает ряд переносчиков, общих для всех типов редокс-цепей живых организмов. К ним относятся цитохромы, железосерные белки, хиноны, флавиновые ферменты и пиридиннуклеотиды (см. главу «Биоэнергетика»). Вместе с тем в ЭТЦ хлоропластов входят специфические переносчики электронов, такие как циклические тетрапирролы (хлорофиллы реакционных центров, феофитин), Mn-содержащий кластер, осуществляющий окисление воды, некоторые аминокислотные остатки белков (тирозин в ФСII) и медь-содержащий белок пластоцианин.

Редокс-агенты ЭТЦ хлоропластов включены в состав трех интегральных мульти­пептидных комплексов, расположенных в мембранах тилакоидов – ФСI, ФСII и цито­хромный b₆f-комплекс. Кроме того, некоторые компоненты ЭТЦ свободно перемещают­ся по поверхности мембраны (пластоцианин, ферредоксин) или в ее толще (пласто­хиноны) и осуществляют связь между функциональными комплексами (рис. 3.33). Ниже дана краткая характеристика редокс-компонентов ЭТЦ хлоропластов.

Цитохромы в ЭТЦ хлоропластов представлены двумя цитохромами группы b (цитохром b₅₅₉ и цитохром b₅₆₃, или цитохром b₆) и цитохромом группы с (цитохром f). Каждый из двух цитохромов группы b найден в хлоропластах в виде двух редокс-форм – низкопотенциальной (L) и высокопотенциальной (H). Цитохромы b₆ (цит. b₆L с Е_о¢= -0,15 В, и цит. b₆H c Е_о¢= -0,05 В), а также цитохром f (Е_о¢= +0,37 В) входят в состав цитохромного b₆f-комплекса и участвуют в окисление пластохинолов и восстановлении пластоцианина, цитохром b₅₅₉ связан с комплексом ФСII.

Железосерные белки. В ЭТЦ хлоропластов входят 3 железосерных центра, содержащих [4Fe-4S]-кластеры, - F_x, F_A и F_B , и 2 белка с [2Fe-2S]-кластерами – ферре­доксин (ФД) и центр Риске. Железосерные кластеры F_x, F_A и F_B и ферредоксин отли­чаются низкими окислительно-восстановительными потенциалами (от -0,7 В до –0,42 В). Они участвуют в восстановлении НАДФ⁺ в ФСI. Центр Риске имеет необычно высокий для железосерных белков окислительно-восстановительный потенциал (около +0,3 В). Он находится в цитохромном b₆f-комплексе и осуществляет окисление пластохинолов.

Хиноны. Представители двух групп хинонов – бензохиноны (пластохиноны) и нафтохиноны (филлохинон) включены в ЭТЦ фотосинтеза. Филлохинон (витамин К₁) яв­ляется переносчиком электронов на акцепторной стороне ФСI (А₁), участвует в переносе электронов от первичного акцептора электронов (А_о) к железо-серному кластеру F_x. Имеет очень низкий окислительно-восстановительный потенциал (около –0,8 В). Плас­тохиноны осуществляют транспорт электронов на акцепторной стороне ФСII (Q_A и Q_B), а также между комплексом ФСII и цитохром b₆f-комплексом в составе пула пластохи­нонов (PQ). Окислительно-восстановительный потенциал пластохинонов близок к нулю.

Флавин-содержащие переносчики электронов ЭТЦ хлоропластов -ферредоксин-НАДФ-оксидоредуктаза (ФНР) – фермент, содержащий в качестве редокс-кофактора ФАД. Восстанавливает НАДФ⁺ в ФСI. Электроны для восстановления получает от восстановленного ферредоксина (ФД). Окислительно-восстановительный потенциал –0,36 В.

Пластоцианин (Пц) – водорастворимый белок, содержащий 1 атом меди. Осуществляет перенос электронов по одноэлектронному типу, причем атом меди изменяет свою валентность (Cu⁺ Cu²⁺). Окислительно-восстановительный потенциал Пц равен +0,37 В. Пц восстанавливает окисленный пигмент РЦ ФСI П700⁺ и окисляет цитохром f цитохром b₆f-комплекса хлоропластов.

Марганецсодержащий кластер (Mn-кластер) располагается в комплексе ФСII и образует систему окисление воды (S). Кластер включает 4 атома марганца, валентность которых меняется в ходе индуцируемых светом окислительно-восстановительных реакций. Окислительно-восстановительный потенциал максимально окисленного класте­ра около +0,9 В. Mn-кластер окисляет воду с образованием молекулярного кислорода.

Электроны от Mn-кластера передаются на П680⁺ через промежуточный перенос­чик электронов (Tyr_Z) – остаток тирозина (Tyr161) белка D1 ФСII. Окислительно-вос­становительные реакции идут с образованием нейтрального радикала тирозина.

Тетрапиррольные переносчики электронов - уникальные компоненты ЭТЦ хло­ропластов. Они являются первичными донорами и первичными акцепторами электронов в реакционных центрах ФСI и ФСII. Окислительно-восстановительные реакции циклических тетрапирролов сопровождаются образованием заряженных радикалов.

3.6.1.2. Z-схема фотосинтеза. Нециклический, циклический, псевдоцикличес­кий транспорт электронов в хлоропластах.

Последовательность расположения редокс-агентов в ЭТЦ хлоропластов в соответ­ствии с их окислительно-восстановительным потенциалом и данными по их локализации в комплексах отражает Z-схема фотосинтеза (рис. 3.32). Согласно Z-схеме существует последовательный перенос электронов от фотосистемы II к фотосистеме I и объединение двух фотосистем в единую цепь переноса электронов от воды к НАДФ⁺. Представление о существовании в хлоропластах двух фотосистем и их совместной последовательной ра­боте впервые возникло в 1940-ые годы на основании опытов лаборатории Эмерсона, об­наруживших эффект красного падения квантового выхода фотосинтеза при освещении хлоропластов монохроматическим дальним красным светом (λ › 680 нм), возбуждающим только ФСI, и эффект усиления квантового выхода фотосинтеза при добавлении к дальнему красному свету подсветки с длиной волны около 650 нм (возбуждающей ФСII). Позднее было показано, что в хлоропластах возможен не только транспорт элек­тронов от воды к НАДФ⁺ с участием двух фотосистем, но также альтернативные пути транспорта электронов с участием лишь одной из двух фотосистем. Кроме того, конечным акцептором электронов в ЭТЦ фотосинтеза вместо НАДФ⁺ может выступать молекулярный кислород. Таким образом, в настоящее время в хлоропластах различают нециклический, циклический и псевдоциклический транспорт электронов.

Нециклический транспорт электронов – это перенос электронов от воды к НАДФ⁺, осуществляемый с участием двух фотосистем, цитохромного b₆f-комплекса и промежуточных низкомолекулярных переносчиков – пула пластохинонов (PQ), пластоцианина (Пц), ферредоксина (ФД) и ферредоксин-НАДФ-оксидоредуктазы (ФНР). Он сопровождается выделением кислорода и восстановлением НАДФ⁺. Сопряжен с синтезом АТФ (нециклическое фотофосфорилирование).

Циклический поток электронов осуществляют отдельно ФСI или ФСII.

Циклический транспорт с участием ФСI (рис. 3.33) включает перенос электронов от восста­новленного ферредоксина (ФД_восст.) обратно к окисленному П700⁺. При этом участвует пул пластохинонов, цитохром b₆f-комплекс и, вероятно, особый фермент ФД-хинон-оксидоредуктаза (FQR). Циклический поток электронов с участием ФСI сопряжен с син­тезом АТФ (циклическое фотофосфорилирование) и может обеспечивать дополнитель­ный синтез АТФ, необходимый для процессов ассимиляции углерода. Он может быть альтернативным путем использования энергии света при его высоких интенсивностях.

Циклический поток электронов в ФСII связан с обратным переносом электронов от восстановленных первичных хинонов Q_A и (или) Q_B к окисленному пигменту реак­ционного центра П680⁺. При этом участвуют цитохром b₅₅₉, b-каротин и сопровож­дающие молекулы хлорофилла а (Хл_Z или Хл_D) реакционного центра ФСII (рис. 3.34). Циклический поток электронов в ФСII является альтернативным путем использования энергии света. Он ак­тивируется в условиях, когда интенсивность света превышает возможности ЭТЦ утили­зировать его энергию, или при повреждении водоокисляющей системы хлоропластов.

Псевдоциклический поток электронов – перенос электронов от воды на кисло­род. Впервые был исследован Мелером (Mehler, 1951) и получил название – реакция Ме­лера. Восстановление кислорода может происходить как в ФСI, так и в ФСII. При этом поглощение кислорода может компенсировать его выделение в ходе окисления Н₂О; в результате чего единствен­ным продуктом этого процесса, как и в случае циклическог потока электронов, будет АТФ, синтезируемая при псевдоцик­лическом фотофосфорилировании. Псевдоциклический поток электронов приводит к об­разованию активных форм кислорода (супероксид-анионрадикала , пе­рекиси водо­рода Н₂О₂), поэтому активация этого процесса может вызвать нарушения фотосинтети­ческого аппарата. Этот альтернативный транспорт электронов активируется при высоких интенсивностях света в условиях дефицита в хлоропластах окисленного НАДФ⁺.