3.6.4.2. Кинетические закономерности работы этц хлоропластов. Согласованная работа комплексов в мембране хлоропластов определяет­ся кинетическими характеристиками реакций переноса электронов в этц.

Исследования кинетических закономерностей работы ЭТЦ показывают, что скорость транспорта электронов на отдельных участках ЭТЦ хлоропластов варьирует в широких временных пределах. Наи­более быстрые процессы проходят в реакционных центрах, где первичное разделение за­рядов достигается за несколько пикосекунд (1-3 ps). Перенос электронов на других участках ЭТЦ происходит значительно медленнее, чем в РЦ, за время порядка нано-, микро- и миллисекунд. Наиболее медленная стадия переноса электронов находится на участке ЭТЦ между двумя фотосистемами и связана с окислением пластохинонолов цитохромным комплексом (5 ms). Второй учас­ток цепи, где скорость переноса электронов оценивается в миллисекундном интервале – это перенос электронов от восстановленного ферредоксина к НАДФ⁺. Поэтому общая скорость переноса электронов в ЭТЦ хлоропластов по нециклическому пути, очевидно, будет определяться скоростью потока электронов именно на этих двух участках ЭТЦ – между двумя фотосистемами и на акцепторной стороне ФСI.

Различия в скорости транспорта электронов на отдельных участках связаны с реализацией разных физические механизмы переноса электронов. В мультипептидных комплексах наиболее вероятен резонансный механизм, когда перенос электрона от донора к акцептору предполагает резонансные взаимодействия редокс-центров с белковой молекулой, при которых возникает эффект туннелирования электрона через энергетический барьер. Скорость переноса электронов при этом определяется физическим контактом компонентов. Особое значение в этом случае приобретают электронно-конформационные взаи­модействия в комплексах, создание особого конформационного состояния бел­ка в ходе окислительно-восстановительных реакций. Перенос электронов между комплексами предполагает миграцию под­вижных низкомолекулярных переносчиков в мембране или по ее поверхности и осуществляется по диффузионному механизму. Диф­фузионные процессы – более медленные, чем резонансные, поэтому именно они являются скорость-лимитирующими в ЭТЦ.

3.6.4.3. Механизмы регуляции электронного транспорта.

Кинетические закономерности работы ЭТЦ лежат в основе регуляции транспорта электронов в хлоропластах. Рассмотрим некоторые механизмы регуляции скорости переноса электронов на наиболее медленных участках ЭТЦ.

Скорость окисления пластохинолов цитохромным комплексом в значительной степени регулируется величиной рН во внутритилакоидном пространстве. При повышении концентрации Н⁺ в люменальном пространстве задерживается окисление QH₂. Любые воздействия, снижающие концентрацию протона во внутритилакоидном пространстве (АДФ+Ф_н, разобщители), будут увеличивать скорость окисления пластохинола. В условиях in vivo выход протонов из люмена осуществляется через АТФ-синтазный комплекс и сопровождается синтезом АТФ из АДФ и Ф_н. Поэтому концентрация АДФ и Ф_н – субстратов реакции синтеза АТФ, является важным фактором регуляции процесса окисления пластохинолов в хлоропластах.

Скорость транспорта электронов на акцепторной стороне ФСI оп­ределяется концентрацией окисленного НАДФ⁺. Содержание НАДФ⁺ в хлоро­пластах не велико, поэтому необходим баланс между процессами его восста­новления и окисления. Главным потребителем НАДФН в хлоропластах является цикл ассимиляции углерода углекислого газа. Поэтому активность реакций метаболизма углерода - важный фактор регуляции скорости потока электронов в ЭТЦ хлоропластов. При недостатке НАДФ⁺ перенос электронов с восстановленного ферредоксина может происходить по циклическому пути, либо по псевдоциклическому. Таким образом, уровень окисленного НАДФ⁺ в хлоропластах определяет не только скорость нециклического потока электронов, но и влияет на соотношение различных путей транспорта электронов в хлоропластах.

Редокс-состояние переносчиков в значительной мере определяет возможность переноса электронов в ЭТЦ. Полная восстановленность всех редокс-центров, точно также как и их полное окисление приводит к ингибированию окислительно-восстановительных реакций в хлоропластах. Необходим баланс между поступлением электронов в ЭТЦ и их использованием. Поэтому активность работы ФСII, ее водоокисляющей системы, поставляющей электроны в ЭТЦ, и активность углеродных циклов, использующих конечный акцептор электронов НАДФН, - два фактора, определяющие в конечном счете редокс-состояние цепи. Электронным буфером в хлоропластах служит пул PQ, который до определенных пределов может накапливать избыточные электроны, поступающие от ФСII и не используемые для восстановления НАДФ⁺.

Регуляцию окислительно-восстановительного состояния пула PQ в хлоропластах помимо изложенных выше механизмов может осуществлять хлородыхание. Хлородыхание – это процесс транспорта электронов в хлоропластах, сходный с дыхательным транспортом электронов митохондрий растений. Он связан с работой двух ферментов, недавно обнаруженных в хлоропластах, - НАД(Ф)Н-дегидрогеназным комплексом, гомологичным бактериальному комплексу I, и альтернативной оксидазой, гомологичной альтернативной оксидазе митохондрий растений (см. главу 4). Первый из ферментов способен восстанавливать пул пластохинонов за счет окисления НАД(Ф)Н, а второй – окислять пул PQ с участием кислорода. Таким образом, в ходе хлородыхания происходит нефотохимическое окисление и восстанавление пула пластохинонов. Хлородыхание стимулируется в условиях высокого уровня восстановленности пиридиннуклеотидов и пула PQ.

Уровень восстановленности пула пластохинонов играет важную регуляторную роль в хлоропластах. От редокс-состояния пула пластохинонов и цитохром b₆f-комплекса зависит положение ССКII в мембранах хлоропластов и переход хлоропластов из состояния 1 в состояние 2 и обратно. Кроме того, редокс-состояние пула PQ является ключевым звеном в регуляции таких процессов, как транскрипция генов, кодирующих апопротеины реакционных центров ФСI и ФСII, а также cab генов, кодирующих апопротеины свет-собирающего комплекса.