3.1.1.1. Световая стадия фотосинтеза

Пигменты фотосинтеза. В поглощении света принимают участие специальные фотосенсорные структуры фотосинтезирующих клеток, важнейшими компонентами которых являются химические соединения, относящиеся к классу пигментов. У растений они представлены двумя группами веществ – хлорофиллами и каротиноидами.

Хлорофиллы имеют структурное сходство с гемами. Основу строения их молекулы, как и гемов, составляет порфириновое ядро, включающее четыре пиррольных кольца, соединенных метеновыми группировками. Атомы азота пиррольных колец образуют четыре координационные связи с атомом магния, занимающим центральное положение в молекуле хлорофилла. Кроме того, к пиррольному кольцу III порфиринового ядра хлорофилла присоединена кольцевая структура V, содержащая карбонильную (=С=О) и метилированную карбоксильную (–СО–О–СН₃) группы. С атомами углерода пиррольных колец, не участвующими в образовании порфиринового ядра, связаны определённые боковые радикалы, которые неодинаковы у разных форм хлорофилла, обозначаемых латинскими буквами – a, b, с, d. У большинства хлорофиллов к карбоксильной группе, соединённой с пиррольным кольцом IV, сложноэфирной связью присоединяется остаток спирта фитола, имеющего следующее строение:

Н(СН₂–СН–СН₂–СН₂)₃–СН₂–С=СН–СН₂ОН

| |

СН₃ СН₃

Хлорофилл а содержится в фотосинтезирующих клетках растений, водорослей и цианобактерий. У хлорофилла b в отличие от хлорофилла а во втором пиррольном кольце метильная группа замещена на формильную группу (–НС=О). Эта форма хлорофилла представлена у высших растений, зеленых и эвгленовых водорослей.

хлорофилл а

Молекулы хлорофилла имеют систему сопряжённых двойных связей, включающую 18 подвижных р-электронов, что позволяет им легко осуществлять переход в возбуждённое состояние при поглощении квантов света. Под воздействием кванта красного света один из электронов в молекуле хлорофилла перемещается на более высокоэнергетическую орбиталь, вследствие чего молекула хлорофилла переходит в первое возбужденное синглетное состояние, которое характеризуется тем, что направление спина у возбуждённого электрона не изменяется. В первом возбужденном син-глетном состоянии молекула хлорофилла находится 10^-12–10^-9 с, затем она возвращается в основное синглетное состояние, отдавая энергию возбуждения в виде теплоты, флуоресценции или передавая её другим молекулам хлорофилла.

При поглощении кванта синего света, обладающего большей энергией по сравнению с красным светом (1 моль квантов синего света – 260 кДж, красного – 176 кДж), один из электронов в молекуле хлорофилла переходит на ещё более высокоэнергетическую орбиталь, переводя молекулу во второе возбужденное синглетное состояние, в котором она находится 10^-13 с и затем, отдав часть энергии в виде теплоты, переходит в первое возбуждённое синглетное состояние, а далее указанным ранее путём возвращается в основное синглетное состояние.

Из первого возбуждённого синглетного состояния молекула хлорофилла, потеряв часть энергии возбуждения в виде теплоты, может переходить в триплетное состояние, которое сопровождается обращением спина возбуждённого электрона. Из возбужденного триплетного состояния молекула хлорофилла далее возвращается в основное синглетное состояние, излучая энергию возбуждения в виде фосфоресценции или отдавая её другим молекулам хлорофилла.

У растений хлорофилл содержится в мембранах хлоропластов, называемых ламеллами. Во многих участках хлоропласта ламеллы образуют уплотнения в виде стопки дисков, которые называют гранами (рис. 3.1). Мембранные структуры в составе гран (тилакоиды) имеют внешний слой, состоящий из белков, и внутренний липидный слой, включающий хлорофилл и другие пигменты. Магнийпорфириновое кольцо молекулы хлорофилла представляет собой плоскостную структуру, обладающую гидрофильными свойствами, а остаток фитола – гидрофобная часть, способная взаимодействовать с мембранными липидами. За счёт гидрофильного участка молекулы хлорофилла образуют комплексы с белками в составе тилакоидов.

1

7

8

9

2 10

11

5

6 3

4

Рис. 3.1. Схематическое изображение строения хлоропласта

1 – оболочка хлоропласта; 2 – строма; 3 – тилакоид; 4 – ламелла между гранами; 5 – одна из гран; 6 – ДНК хлоропласта; 7 – крахмальное зерно; 8 – капелька жира; 9 – свободные рибосомы; 10 – рибосомы, связанные с мембранами; 11 – полисома.

Молекулы хлорофилла имеют максимумы поглощения в красной и синей областях спектра (рис. 3.2). Хлорофилл а при растворении в диэтиловом эфире дает сине-зелёное окрашивание и имеет максимумы поглоще-ния при длинах волн 662 и 429 нм, хлорофилл b – жёлто-зелёную окраску и максимумы поглощения при 643 и 453 нм.

Однако в клетках листа молекулы хлорофилла образуют агрегированные комплексы с белками, липидами и другими молекулами пигментов, поэтому их максимумы поглощения смещаются от тех значений, которые определены для чистых растворов хлорофилла. Присутствие разных агрегированных форм хлорофилла в структуре хлоропластных мембран расширяет диапазон длин волн, при которых происходит поглощение солнечного света растениями.

Молекулы хлорофилла a в возбужденном состоянии способны передавать энергию возбуждения по принципу индуктивного резонанса другим молекулам хлорофилла без инициирования излучения в виде флуоресценции. Это оказывается возможным, если взаимодействующие молекулы находятся на близком расстоянии ( 10 нм) и спектр флуоресценции молекулы-донора перекрывается со спектром поглощения молекулы-акцептора. Вокруг возбуждённой молекулы, поглотившей квант света, возникает переменное электрическое поле, которое воздействует на соседнюю молекулу, индуцируя её переход в возбужденное синглетное состояние, при этом исходная молекула-донор переходит в основное синглетное состояние.

Рис. 3.2. Спектры поглощения пигментов фотосинтеза

Получившая возбуждение новая молекула хлорофилла по указанному ранее механизму передает энергию возбуждения следующей молекуле, у которой спектр поглощения перекрывается со спектром флуоресценции возбуждённой молекулы. Учитывая, что спектры флуоресценции молекул смещены от спектров поглощения в длинноволновую сторону (согласно правилу Стокса), перенос энергии возбуждения осуществляется от молекул с более коротковолновыми максимумами поглощения, имеющих больший запас энергии в возбуждённом синглетном состоянии, к молекулам, которые поглощают свет в длинноволновом диапазоне и имеют в аналогичном состоянии меньший запас энергии. Скорость резонансного переноса энергии между молекулами хлорофилла соизмерима со временем нахождения молекулы в возбуждённом синглетном состоянии, а эффективность переноса энергии возбуждения приближается к 100%.

Молекулы хлорофилла а, имеющие максимумы поглощения в наиболее длинноволновой части спектра, не способны передавать энергию по принципу индуктивного резонанса другим молекулам хлорофилла, однако они образуют в комплексе со специфическими белками так называемые реакционные центры, в которых осуществляется перенос электрона от возбуждённой молекулы хлорофилла на соответствующий акцептор. Различают два типа реакционных центров, в составе одного из них содержится длинноволновая форма хлорофилла а, обозначаемая индексом P₇₀₀, а в другом – его длинноволновая форма, обозначаемая индексом P₆₈₀. Индексы 700 и 680 указывают длину волны, при которой достигается максимум поглощения данных пигментов в красной части спектра. На каждую молекулу пигментов P₇₀₀ и P₆₈₀, входящих в состав реакционных центров, в структуре хлоропластных мембран имеются по 120–240 других молекул хлорофилла, способных поглощать кванты света и переводить энергию возбуждения на реакционный центр.

Молекулы хлорофилла b так же, как и хлорофилла а, при поглощении квантов света переходят в возбуждённое синглетное состояние и передают энергию возбуждения по принципу индуктивного резонанса на хлорофилл а. В составе молекул хлорофилла, передающих энергию возбуждения на реакционные центры, молекулы хлорофилла b обычно составляют 42–45%.

Наряду с хлорофиллами активную роль в процессе фотосинтеза играют каротины (С₄₀Н₅₆) – пигменты оранжевого или красного цвета, хорошо растворимые в эфире, но почти не растворимы в спиртах. Важнейшим представителем этой группы является -каротин, который в значительном количестве содержится в пластидах высших растений и водорослей, однако он не заметен вследствие зелёного цвета хлорофилла. У многих листопадных древесных растений в осенний период, когда хлорофилл подвергается интенсивному распаду, именно каротины и другие пигменты этой группы окрашивают листья в жёлто-оранжевый цвет.

Молекула -каротина построена из восьми остатков изопрена, образующих систему сопряжённых двойных связей. Причем остатки изопрена на концах молекулы подвергаются циклизации, образуя две циклические структуры -ионона (см. стр. 118). В небольшом количестве в растениях содержится также -каротин, который отличается от -каротина тем, что в одной из концевых циклических структур двойная связь смещена на один углеродный атом к началу цепи, вследствие чего система сопряжённых двойных связей укорачивается на одно звено.

Каротины поглощают кванты света в синей и сине-фиолетовой частях спектра в интервале длин волн 400–500 нм, т.е. в той области спектра, в которой слабо поглощают молекулы хлорофиллов. При поглощении квантов света каротины способны передавать энергию возбуждения молекулам хлорофилла а, от которых она далее переносится на реакционные центры. Как и хлорофиллы, молекулы каротинов могут образовывать агрегированные комплексы с белками и липидами хлоропластных мембран. Таким образом, каротины в комплексе с хлорофиллами выполняют важную функцию поглощения солнечной энергии и передачи её посредством механизма индуктивного резонанса на реакционные центры.

Кроме того, каротины выполняют еще одну функцию в процессе фотосинтеза. Они защищают молекулы хлорофилла от фотоокисления образующимся в ходе фотосинтеза кислородом. Показано, что каротины взаимодействуют с хлорофиллом, находящимся в триплетном возбуждённом состоянии, при этом молекула хлорофилла переходит в основное синглетное состояние, а каротин – в возбуждённое триплетное состояние. После этого молекула каротина, выделив теплоту, возвращается в исходное синглетное состояние. Одновременно молекулы каротина способны реагировать с кислородом, находящимся в возбуждённом синглетном состоянии, и ускорять его перевод в основное синглетное состояние. При этом молекулы каротина вначале переходят в возбуждённое триплетное состояние, а затем, выделив теплоту, возвращаются в исходное синглетное состояние.

Инициирование светом переноса электронов и протонов в мембранах хлоропластов. В опытах Р. Эмерсона и др. (1957 г.) по изучению действия монохроматического света разной длины волны на интенсивность фотосинтеза у клеток водоросли хлореллы было выяснено, что максимальная скорость фотохимических реакций наблюдается при одновременном освещении этих водорослей красным светом с длинами волн 650 и 680 нм, тогда как эффективность света каждой из указанных длин волн в отдельности оказалась более низкой. Обнаруженное явление в дальнейшем назвали эффектом Эмерсона. Оно позволило исследователям предположить существование в хлоропластах двух взаимодействующих между собой фотохимических систем – I и II, представляющих белково-пигментные копмлексы, которые в определённом порядке входят в структуру хлоропластных мембран. С помощью современных методов указанные белково-пигментные комплексы выделены из хлоропластов растений и достаточно хорошо изучены.

В состав белково-пигментного комплекса фотосистемы I входят:

димер пигмента P₇₀₀ и мономер хлорофилла а₆₉₅, образующих реакционный центр;

светоулавливающий комплекс пигментов (около 300 молекул), вклю-чающий хлорофилл а с максимумами поглощения 675–695 нм, хлорофилл b и каротины;

железосерные белки, имеющие группировки атомов 4Fe4S.

Молекулы пигментов светоулавливающего комплекса фотосистемы I поглощают кванты света, переходят в возбуждённое состояние и передают энергию возбуждения с помощью механизма индуктивного резонанса на пигмент P₇₀₀, входящий в состав реакционного центра (рис. 3.3). Молекула пигмента P₇₀₀, находящаяся в возбуждённом синглетном состоянии, далее взаимодействует с первичным акцептором электронов хлорофиллом а₆₉₅,

передавая ему один электрон. При этом пигмент P₇₀₀ переходит в окисленное состояние (P⁺₇₀₀), а хлорофилл а₆₉₅ – в восстановленное (а⁻₆₉₅). Перевод пигмента P₇₀₀ в исходное восстановленное состояние происходит за счёт передачи электрона из фотосистемы II, а у фотосинтезирующих бактерий в качестве источников электронов для восстановления реакционного центра фотосистемы I используются электроны, образующиеся при окислении H₂S, H₂, углеводородов и других органических веществ.

Рис. 3.3. Схема переноса электронов в тилакоидной мембране

хлоропластов

ПК – пигментные комплексы фотосистем (ФС) I и II; ПХ₁ – первичный пластохинон; ПХ₂ – вторичный пластохинон; ФР – фермент ферредоксин-НАДФ-оксидоредуктаза; FeS_R – железосерный белок Риске; Фф – феофетин; Пц – пластоцианин; Фd – ферредоксин; АСК – АТФ-синтетазный комплекс; Р_н – неорганический фосфат; FeS – железосерные группировки в составе белковых комплексов фотосистем I и II.

Восстановленная форма хлорофилла а⁻₆₉₅ передаёт электрон на вторичные акцепторы – железосерные белки, которые, в свою очередь, способны восстанавливать водорастворимый железосерный белок ферредок-син, обладающий подвижностью в жидкой дисперсионной среде на внешней поверхности тилакоидных мембран. Далее с участием фермента ферредоксин-НАДФ-оксидоредуктазы, содержащего в качестве кофермента ФАД, осуществляется перенос электронов от восстановленного ферредок-сина на окисленный НАДФ (НАДФ⁺), в результате чего происходит образование одного из важнейших продуктов фотосинтеза – восстановленных динуклеотидов НАДФ (НАДФ  Н):

2Н⁺

2Fd_восст + НАДФ⁺  2Fd_окисл + НАДФ  Н + Н⁺

Белково-пигментный комплекс фотосистемы II включает следующие компоненты:

в составе реакционного центра – димер пигмента P₆₈₀ и феофетин, представляющий собой производное хлорофилла а, у которого катион Mg⁺ замещён на Н⁺;

светоулавливающий комплекс пигментов, в состав которого входят молекулы хлорофилла а с максимумами поглощения 670–683 нм, хлорофилл b и каротины;

молекулы пластохинонов, служащие вторичными акцепторами электронов.

Как и в фотосистеме I, молекулы пигментов светоулавливающего комплекса фотосистемы II поглощают кванты света и передают энергию возбуждения на пигмент Р₆₈₀ в составе реакционного центра, переводя его в возбуждённое синглетное состояние. Возбуждённая молекула Р₆₈₀ становится донором электрона для первичного акцептора – молекулы феофетина, который переходит в восстановленное состояние и передаёт электрон на первичный пластохинон, действие которого как акцептора электрона усиливается железосерной группировкой в составе белкового комплекса. От первичного восстановленного пластохинона электрон передаётся на вторичный пластохинон, который далее взаимодействует с липидорастворимым переносчиком электронов – димером пластохинона, не связанным с белковым комплексом фотосистемы II.

O OН

‖ |

C С

⁄` \ ∥ \

Н₃C–C CН СН₃ Н₃C–С СН СН₃

‖ ‖ | | ‖ |

Н₃С–C C–(СН₂–СН=С–СН₃)₉Н Н₃C–С С–(СН₂–СН=С–СН₃)₉Н

\ ⁄` \\ ⁄

C С

‖ |

O ОН

(окисленная форма) (восстановленная форма)

пластохинон А

Пластохиноны являются производными бензохинона, имеющего боковой радикал в виде соединённых в цепь остатков изопрена, но различаются числом таких остатков и наличием гидроксилированных и ацилированных группировок. Для перевода молекулы пластихинона в восстановленное состояние необходимо присоединить 2 электрона и два протона. Донором электронов для липидорастворимого пластихинона служит вторичный пластихинон, находящийся в структуре белкового комплекса фотосистемы II, а протоны присоединяются из стромы с внешней поверхности тилакоидной мембраны, прилегающей к той части белкового комплекса, в которой локализован вторичный пластихинон.

Учитывая, что липидорастворимый переносчик электронов функционирует в виде димера, реакция его восстановления может быть выражена следующим уравнением:

2PQ + 4ē + 4H⁺  2PQ  H₂

Восстановление в исходное состояние пигмента Р₆₈₀ в реакционном центре фотосистемы II происходит за счет электронов, образующихся в результате фотоокисления молекул воды. В этом процессе участвуют специфические белки, содержащие катионы марганца и входящие в структуру белкового комплекса фотосистемы II. Один из таких белков содержит в активном центре четыре катиона Mn²⁺, способных легко переходить в окисленное состояние (Mn³⁺) и отщеплять от молекул воды электроны, передавая их на другой белковый переносчик, содержащий два атома Mn, который далее осуществляет перенос электронов на окисленный пигмент Р₆₈₀, переводя его в исходное восстановленное состояние. Определено, что активность белка, взаимодействующего с молекулой воды, зависит от наличия в реакционной среде ионов Са²⁺ и Cl⁻.

В результате фотоокисления молекулы воды разлагаются на кислород и катионы Н⁺ (протоны).

-4ē

2Н₂О  О₂ + 4Н⁺

Кислород и протоны выделяются на внутренней поверхности тилакоидных мембран.

В передаче электронов от фотосистемы II на фотосистему I принимает участие белково-цитохромный комплекс, содержащий цитохромы b₆ и f, а также железосерный белок Риске, имеющий активную группировку 2Fe2S. В составе белково-цитохромного комплекса есть участок связывания восстановленной формы липидорастворимого переносчика электронов 2PQ  H₂, при взаимодействии с которым переносчик подвергается окислению, отдавая электроны на железосерный белок Риске и высвобождая протоны на внутренней поверхности тилакоидной мембраны:

-4ē

2PQ  H₂  2PQ + 4H⁺

Восстановленный железосерный белок Риске передает электроны на цитохром f, а последний далее на водорастворимый низкомолекулярный (10500) белок – пластоцианин, содержащий медь. Восстановленный пластоцианин способен перемещаться в жидкой дисперсионной среде на внутренней поверхности тилакоидной мембраны и переносить электроны от белково-цитохромного комплекса на окисленный пигмент Р₇₀₀ в составе реакционного центра фотосистемы I.

Таким образом, в процессе взаимодействия двух фотосистем под действием света инициируется направленный поток электронов, образующихся в результате фотоокисления молекул воды, к реакционному центру фотосистемы I, а от него на ферредоксин, с участием которого синтезируются восстановленные динуклеотиды НАДФ  Н. Рассмотренная выше последовательность переноса электронов получила название нециклического транспорта электронов при фотосинтезе.

Учитывая, что при фотоокислении воды 1 молекула кислорода (О₂) образуется из двух молекул воды, на реакционный центр фотосистемы II переносится 4 электрона, которые возмещают электронную недостаточность, вызванную передачей такого же количества электронов из реакционного центра в электронтранспортную цепь при поглощении 4 квантов света пигментным комплексом данной фотосистемы. Переносимые по электронтранспортной цепи фотосистемы II четыре электрона передаются далее на реакционный центр фотосистемы I для возмещения электронной недостаточности, вызванной передачей такого же количества электронов на восстановление НАДФ⁺ после поглощения четырех квантов света пигментным комплексом фотосистемы I. Всего при образовании 1 молекулы О₂ по электронтранспортной цепи фотосистем I и II осуществляется перенос 4 электронов, который индуцируется при поглощении восьми квантов света (4 в фотосистеме I + 4 в фотосистеме II), в результате чего осуществляется синтез двух молекул восстановленных динуклеотидов НАДФ  Н.

Как было показано ранее, в процессе переноса электронов с участием липидорастворимого пластохинона и белково-цитохромного комплекса происходит также перенос протонов через мембрану тилакоида. Протоны акцептирует восстановленный липидорастворимый пластохинон с внешней поверхности тилакоидной мембраны, а их высвобождение происходит при взаимодействии восстановленного липидорастворимого пластохинона с белково-цитохромным комплексом уже в той его части, которая обращена к внутренней поверхности тилакоидной мембраны. В результате на ней возникает избыточный положительный заряд, тогда как на внешней поверхности – отрицательный, обусловленный избыточной концентрацией анионов, с которыми были связаны протоны. Кроме того, необходимо учитывать, что во внутренней полости тилакоидов остаются протоны, образовавшиеся в результате фотоокисления воды, которые также формируют положительный заряд на внутренней поверхности тилакоидной мембраны.

Накопление на внешней и внутренней поверхностях тилакоидной мембраны разноимённых зарядов инициирует образование трансмембранного электрохимического потенциала, энергия которого может быть использована для осуществления эндергонических реакций синтеза веществ.

Наряду с нециклическим в хлоропластах растений происходит также и циклический транспорт электронов, который осуществляется с участием белкового комплекса фотосистемы I, белково-цитохромного комплекса с цитохромами b₆ и f, а также ферредоксина и липидорастворимого пластохинона.

При циклическом транспорте электронов под действием света электроны из реакционного центра фотосистемы I через вторичные акцепторы – железосерные белки – передаются на ферредоксин, который далее, взаимодействуя с белково-цитохромным комплексом, переносит их на пластохинон PQ. Восстановленный пластохинон акцептирует протоны с внешней поверхности тилакоидной мембраны и присоединяется к той части белково-цитохромного комплекса, где локализованы молекулы цитохрома b₆ . Передав электроны на молекулы цитохрома b₆, пластохинон окисляется и высвобождает протоны на внутреннюю поверхность тилакоидной мембраны, инициируя таким образом создание трансмембранного потенциала. От цитохрома b₆ электроны далее передаются с участием железосерного белка Риске и цитохрома f на пластоцианин, который, передвигаясь в жидкой фазе на внутренней поверхности тилакоидной мембраны, переносит их на окисленный пигмент Р₇₀₀ в реакционном центре фотосистемы I, переводя его в исходное восстановленное состояние.

Таким образом, согласно циклической схеме при поглощении квантов света электроны от возбуждённой молекулы пигмента Р₇₀₀ в реакционном центре фотосистемы I передаются последовательно по указанной ранее цепи переносчиков, инициируя образование трансмембранного потенциала, а затем снова возвращаются в реакционный центр. При этом не про-исходит образования восстановленных динуклеотидов НАДФ  Н. У фотосинтезирующих бактерий фотосистема II отсутствует и поэтому у них функционирует только система циклического транспорта электронов с участием фотосистемы I.

В переносе электронов в электронтранспортной цепи хлоропластных мембран участвуют не только липидорастворимый пластохинон и водорастворимые белки, но и белковые комплексы, которые могут подвергаться фосфорилированию, в результате чего при диссоциации протонов фосфатных групп возрастает их отрицательный заряд, вызывающий перемещение белкового комплекса к внутренней поверхности мембраны, имеющей положительный заряд. Такое перемещение в составе мембран белкового ком-плекса фотосистемы II способствует более быстрому переносу электронов на реакционный центр фотосистемы I. Фосфорилирование белковых комплексов катализируют ферменты киназы, которые активируются восстановленным пластохиноном и ингибируются его окисленной формой. В результате отщепления под действием соответствующих фосфатаз остатков фосфорной кислоты от белкового комплекса уменьшается его отрицательный заряд и он возвращается в исходное состояние, после чего может снова подвергаться фосфорилированию.

Фотофосфорилирование. Кроме восстановленных динуклеотидов НАДФ  Н важнейшим продуктом фотохимических реакций является АТФ. В опытах с изолированными хлоропластами растений было показано, что под действием света у них индуцируется синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата:

свет

АДФ + Н₃РО₄  АТФ + Н₂О

хлоропласты

В отсутствие света фосфорилирование АДФ не происходило. Исходя из этого исследователи сделали вывод, что эндергоническая реакция синтеза АТФ сопряжена с использованием энергии поглощённых хлоропластами квантов света. Сопоставление стандартных окислительно-восстано-вительных потенциалов компонентов электронтранспортной цепи в мембранах хлоропластов показывает, что такой сопряжённый синтез АТФ возможен. Разница стандартных окислительно-восстановительных потенциалов первичного донора электронов реакционного центра фотосистемы II Р₆₈₀ и первичного акцептора электронов фотосистемы I а₆₉₅ составляет более 1,8 В, что обеспечивает перепад в изменении свободной энергии более 170 кДж  моль^–1. Тогда как в стандартных условиях для образования 1 моля макроэргических связей при фосфорилировании АДФ затрачивается 30,6 кДж свободной энергии.

Однако при этом возникает вопрос: каким путём происходит превращение поглощённой при фотосинтезе световой энергии в химическую энергию макроэргических связей АТФ? В наибольшей степени механизм указанного превращения объясняет хемиосмотическая гипотеза, разработанная английским биохимиком П. Митчеллом в 1961–1966 гг. Большинство положений этой гипотезы подтверждено экспериментами. Применение хемиосмотической гипотезы для объяснения механизма фотофосфорилирования было предложено в 1967 г. А. Ягендорфом и в дальнейшем получило признание большинства исследователей.

Согласно хемиосмотической гипотезе эндергонический процесс фос-форилирования АДФ с участием неорганического фосфата в хлоропластах растений сопряжён с использованием энергии трансмембранного электрохимического потенциала, который образуется при переносе электронов, индуцируемом в результате поглощения квантов света.

Процесс образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата катализирует АТФ-синтетазный ферментный комплекс, который состоит из 19 белковых субъединиц пяти типов, содержащих участки связывания АДФ и неорганического фосфата. Указанный ферментныйый комплекс локализован на внешней поверхности тилакоидной мембраны. Он связан со структурными белками, выполняющими функцию ионного канала, через который по концентрационному градиенту осуществляется транспорт катионов водорода Н⁺ из внутреннего пространства тилакоида на его поверхность. Проходя через ионный канал, катионы водорода попадают в АТФ-синте-тазный комплекс и, активируя его, инициируют синтез АТФ (см. рис. 3.3).

При рассмотрении процессов фотофосфорилирования возникает так-же вопрос о количестве АТФ, синтезируемой в расчёте на единицу поглощённой световой энергии или на 1 моль выделяющегося в ходе фотосинтеза кислорода. Как было указано ранее, при функционировании системы нециклического транспорта электронов одна молекула кислорода (О₂) образуется из двух молекул воды, подвергаюшихся фотоокислению. При этом внутри тилакоида остаются 4 протона (4Н⁺), а по электронтранспортной цепи фотосистем II и I осуществляется перенос четырёх электронов, который инициируется в результате поглощения пигментными комплексами этих фотосистем восьми квантов света (по 4 кванта каждой фотосистемой).

В процессе переноса четырёх электронов по электронтранспортной цепи от белково-пигментного комплекса фотосистемы II на белково-цито-хромный комплекс происходит восстановление и затем окисление липидорастворимого пластохинона, которое сопряжено с переносом четырёх протонов из внешнего матрикса во внутреннюю полость тилакоида.

Таким образом, в результате фотоокисления двух молекул воды и переноса 4 электронов по системе нециклического транспорта во внутренней полости тилакоида накапливается 8 протонов, которые создают трансмембранный электрохимический потенциал. Как только энергия этого потенциала достигает определённой величины, начинает функционировать белковый комплекс ионного канала, по которому протоны движутся из внутренней полости тилакоида на его внешнюю поверхность, предотвращая дальнейшее увеличение трансмембранного потенциала.

Из ионного канала протоны поступают в АТФ-синтетазный ферментный комплекс и в нём инициируют фосфорилирование АДФ с участием неорганического фосфата:

АДФ + Н₃РО₄  АТФ + Н₂О

Непосредственный механизм образования АТФ пока ещё окончательно не установлен. Наиболее вероятно, что на каждые 2 протона, поступающие в АТФ-синтетазный комплекс по ионному каналу, может синтезироваться 1 молекула АТФ. Если же учитывать, что в ходе образования 1 молекулы О₂ при фотоокислении двух молекул воды во внутренней полости тилакоида накапливается 8 протонов, а по электронтранспортной цепи переносится четыре электрона, то согласно указанному количественному выходу возможен синтез 4 молекул АТФ.

Однако не все протоны, выходящие через ионный канал на внешнюю поверхность тилакоида, участвуют в синтезе АТФ, часть из них затрачивается на образование восстановленных динуклеотидов НАДФ  Н, поэтому реальный выход АТФ при нециклическом транспорте электронов в расчёте на 1 молекулу образующегося О₂ составляет не четыре молекулы, а три или даже меньше.

Дополнительное количество АТФ в системе фотофосфорилирования может синтезироваться за счет функционирования циклического транспорта электронов, в ходе которого также осуществляется перенос протонов из внешнего матрикса во внутреннюю полость тилакоидов, вызывающий возникновение трансмембранного электрохимического потенциала, способного инициировать синтез макроэргических фосфатных связей АТФ в результате фосфорилирования АДФ с участим неорганического фосфата.

Образовавшиеся в ходе фотохимических реакций биоэнергетические продукты фотосинтеза НАДФ  Н и АТФ далее используются в темновой стадии фотосинтеза для восстановления СО₂ до уровня углеводов, в синтезе различных неуглеводных продуктов, а также при осуществлении других эндергонических процессов, происходящих в листьях растений или в клетках других фотосинтезирующих организмов.